Микромир и мегакосмос - две стороны одного и того же процесса, который мы называем Вселенной. Физика микромира проникла в область явлений, которые характеризуются масштабами порядка 10-15 см, астрофизика изучает объекты, для которых характерны расстояния вплоть до 1028 см. Но какими бы гигантскими размерами ни обладала та или иная космическая система, она в конечном итоге состоит из элементарных частиц. В то же время мы сами, как и все окружающие нас объекты, являемся частью мегакосмоса.
В работе "Относительность и проблема пространства"
Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия
пространства в общей теории относительности. Согласно этой
теории пространство не существует отдельно, как нечто
противоположное "тому, что заполняет пространство" и что
зависит от координат. "Пустое пространство, т.е. пространство
без поля не существует. Пространство-время существует не само
по себе, а только как структурное свойство поля".
Для общей теории относительности до сих пор актуальной
является проблема перехода от теоретических к физическим
наблюдаемым величинам. Теория предсказала и объяснила три
общелелятивистских эффекта: были предсказаны и вычислены
конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было
педсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их
прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект
красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.
Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей
теории относительности: геометризацию гравитации и
релятивистскую космологию, т.к. с ними связано дальнейшее
развитие пространственно-временных представлений современной
физики.
Геометризация гравитации явилась первым шагом на пути
создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля
предприняв Г.Вейль. Она осуществлена за рамками римановской
геометрии. Однако данное направление не привело к успеху. Были
попытки ввести пространства более высокой размерности. чем
четырёхмерное пространственно-временное многообразие Римана:
Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын -
бесконечное многообразие. Однако таким путём решить проблему не удавалось.
На пути пересмотра евклидовой топологии пространства -
времени строится современная единая теория поля - квантовая
геометродинамика Дж. Уитлера. В этой теории обобщение
представлений о пространстве достигает очень высокой степени и
вводится понятие суперпространства, как арены действия
геометродинамики. При таком подходе каждому взаимодействию
соответствует своя геометрия, и единство этих теорий
заключается в существовании общего принципа, по которому
порожнаются данные геометрии и "расслаиваются" соответствующие пространства.
Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается
квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещё
более грандиозная задача - постичь Вселенную и элементарные
частицы в их единстве и гармонии.
Доэйнштейновские представления о Вселенной можно
охарактеризовать следующим образом: Вселенная бесконечна и
однородна в пространстве и стационарна во времени. Они были
заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные пространство
и время, последнее по своему характеру Евклидово. Такая модель
казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые
попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам.
Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых
фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия. Таких положений в классической космологии четыре: стационарность Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.
Модель Вселенной, которая следовала из общей теории
относительности, связана с ревизией всех фундаментальных
положений классической космологии. Общая теория относительности
отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного
пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологоии: общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной.
Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к
признанию её однородности. На основе этого постулата в
релятивистскую космологию вводится понятие мирового
пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и
время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и
изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую
кривизну. В применении к неевклидову пространству условия
однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и
здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой,
отрицательной и положительной кривизной.
Возможность для пространства и времени иметь различные
значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос
конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии
подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства
и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако в
релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.
Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу -
замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно
является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна
конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако
стационарность вступала в противоречие с общей теорией
относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась
либо расшириться, либо сжаться. Чтобы устранить это
противоречие Эйнштейн ввёл в уравнения теории новый член
с помощью которого во Вселенную вводились новые силы,
пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы
притяжения и отталкивания.
Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со
статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель
была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства
оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная
расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э.
Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра. Оказалось,
что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и
подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н - постоянная Хаббла, L
- расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время.
В связи с этим встают две важные проблемы: проблема
расширения пространства и проблема начала времени. Существует
гипотеза, что так называние "разбегание галактик" - наглядное
обозначение раскрытой космологией нестационарности
пространственной метрики. Таким образом, не галактики
разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само
пространство.
4. ПРИРОДА ВРЕМЕНИ.
Ознакомившись с вышесказанным, можно сказать что философы, а затем Эйнштейн не рассматривали физическую природу времени и гравитации, говоря о них как о свойствах материи и пространства. Рассматривая что будет наблюдать наблюдатель находясь в покое и двигаясь со скоростью света (теория относительности).
Так что же представляет собой время, попытаемся разобраться на собственном жизненном опыте и опытах академика Н.А. Козырева. ( См. приложение ,, Чем живут звёзды,,).
Астроном Козырев проводил следующее: он брал обычные рычажные весы и подвешивает к одному концу коромысла вращающийся по часовой стрелке гироскоп. На другом конце, как и полагается, чашка с гирьками. А затем, когда стрелка весов замирает на нуле, ученый прислоняет к основанию весов работающий электровибратор — обычный лабораторный прибор. Все рассчитано так, чтобы вибрация полностью поглощалась массивным ротором волчка. Стрелка не дрогнула. И тогда ученый снял гироскоп, раскрутил его в обратную сторону, против часовой стрелки, снова подвесил к коромыслу. И... стрелка сдвинулась вправо: гироскоп стал легче.
Вот как объясняет его Козырев:
— Гироскоп на весах с электровибратором — это система с причинно-следственной связью. Во втором случае направление вращения волчка совпало с истинным ходом времени и возникли дополнительные силы. Их можно измерить.
А раз можно измерить, значит, эти силы реально существуют. Но если так, то время — это не просто длительность от одного события до другого, измеряемая минутами или часами. Это физический фактор, обладающий свойствами, которые позволяют ему активно участвовать во всех природных процессах, обеспечивая причинно-следственную связь явлений. Но, между причиной и следствием обязательно остается какой-то, пусть даже ничтожный, промежуток — они не могут занимать одно и то же место. И в какой-то течке пространства происходит поворот — прошлое переходит в будущее, причина превращается в следствие. Но не мгновенно, а с конечной скоростью. Скорость эта — течение или ход времени. Козырев экспериментально установил, что ход времени определяется линейной скоростью поворота причины относительно следствия, которая равна 700 километрам в секунду со знаком «плюс» в левой системе координат. Но не только опыты с весами, гироскопом и вибратором проливают свет на природу времени, но и более простые опыты. Если раскачать обычный физический маятник на максимальную амплитуду, а затем проследить как амплитуда будит гаснуть, то мы увидим что частота качания будет возрастать при уменьшении амплитуды колебаний (вязкость среды тут ни причём). То же самое мы наблюдаем и при затухании колебаний в электрическом колебательном контуре. Может изменение частоты при уменьшении амплитуды по времени есть свойство самого времени?