1.8. Пространство и время

Материя существует и движется во времени и пространстве, которые являются формами бытия материи, ее атрибутами. Пространство есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Можно сказать, что пространство – форма координации одновременно существующих объектов, выражает порядок сосуществования отдельных объектов. Время – форма бытия материи, выражающая длительность ее существования, последовательность смены состояний в изменении и развитии всех материальных систем. Время – форма координации сменяющих друг друга объектов, отражает порядок смены явлений. Порядок сосуществования объектов образует структуру пространства, порядок смены этих состояний образует структуру времени. Пространство и время неразрывно связаны между собой, их единство проявляется в движении и развитии материи.

Пространство и время являются основными понятиями всех разделов физики. Они играют главную роль на эмпирическом уровне физического познания: непосредственное содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит в фиксации пространственно-временных совпадений. Пространство и время служат также одними из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные. Пространство и время имеют решающее значение для построения научной картины мира, обеспечивая отождествление и различение отдельных фрагментов материальной действительности. В физике свойства пространства и времени делят на метрические (протяженность, длительность) и топологические (размерность, непрерывность и связность пространства и времени, порядок и направление времени) [17].

В механической картине мира, созданной И.Ньютоном, пространство и время носили абсолютный характер. Согласно И.Ньютону, абсолютное пространство и время представляли собой самостоятельные сущности, которые не зависели ни друг от друга, ни от находящихся в них материальных объектов и протекающих в них процессов. По Ньютону пространство неизменно и неподвижно, не зависит от материальных тел и их движения; время абсолютно и течет везде одинаково.

Современной теорией свойств пространства и времени является теория относительности – специальная и общая, развитые А.Эйнштейном. Специальная теория относительности выявила зависимость пространственных и временных характеристик объектов от скорости их движения относительно определенной системы отсчета и объединила пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум – пространство-время. А.Эйнштейн писал [68]:

«Прежде считали, что если все материальные тела исчезнут из Вселенной, время и пространство сохранятся. Согласно же теории относительности, время и пространство исчезнут вместе с телами».

Общая теория относительности вскрыла зависимость метрических характеристик пространства-времени от распределения гравитационных масс, приводящих к искривлению пространства-времени. В общей теории относительности от характера распределения масс зависят такие фундаментальные свойства пространства-времени, как конечность и бесконечность, которые тоже обнаружили свою относительность.

Свойства пространства, по современным представлениям, таковы:

- объективность, т.е. независимость от сознания человека;

- всеобщность – не существует материи без пространства;

- однородность – все точки пространства обладают одинаковыми свойствами (параллельный перенос не изменяет законов природы);

- изотропность – все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами (поворот на любой угол не изменяет законов природы);

- непрерывность – между двумя точками пространства, как бы близко они ни находились, всегда можно найти третью;

- связность – между точками пространства нет разрывов;

- трехмерность – каждая точка пространства однозначно определяется тремя координатами, все материальные процессы и взаимодействия реализуются лишь в пространстве трех измерений.

Пространству свойственна относительная прерывность, проявляющаяся в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы, в существовании многообразия структурных уровней материи с различными пространственными отношениями.

В современной физике и математике широко применяются абстрактные (концептуальные) многомерные пространства, которые образуются путем добавления к трем пространственным координатам времени и других параметров, учет взаимной связи и изменения которых необходим для более полного описания процессов. Однако не следует отождествлять эти концептуальные пространства, вводимые как способ описания систем, с реальным пространством, которое всегда трехмерно и характеризует протяженность и структурность материи, сосуществование и взаимодействие элементов в различных системах.

Свойства времени таковы:

- объективность;

- всеобщность;

- необратимость – причинно-следственные отношения асимметричны, время всегда направлено от прошлого к будущему;

- одномерность;

- связность;

- однородность – явления, протекающие в одинаковых условиях, но в разные моменты времени, протекают одинаково;

- непрерывность – между двумя моментами времени всегда можно выделить третий.

Однородность и изотропность пространства и однородность времени называются свойствами симметрии пространства и времени. Из свойств симметрии пространства и времени следует симметрия (инвариантность) физических законов по отношению к следующим непрерывным преобразованиям пространства-времени: перенос (сдвиг) или поворот системы как целого в пространстве; изменение начала отсчета времени (сдвиг во времени). При этих преобразованиях законы, устанавливающие соотношения между величинами, характеризующими физическую систему, не меняются. Другими словами, поведение изолированной механической системы не зависит от того, какой момент времени принят за начало отсчета, в каком месте пространства помещено начало координат и как ориентированы в пространстве оси координат.

В 1918 г. немецкий математик Э.Нетер сформулировала теоему, согласно которой для физической системы, движение которой описывается некоторым дифференциальным уравнением, каждому непрерывному преобразованию пространства и времени соответствует определенный закон сохранения. Таким образом была установлена взаимосвязь свойств симметрии пространства и времени с законами сохранения. Закон сохранения импульса вытекает из однородности пространства, закон сохранения энергии – из однородности времени, закон сохранения момента импульса – из изотропности пространства [49].