Развитие представлений о пространстве и времени в 20 в. В конце 19 — начале 20 вв. произошло глубокое изменение научных представлений о материи и, соответственно, радикальное изменение понятий П. и в. В физическую картину мира вошла концепция поля, как формы материальной связи между частицами вещества и как особой формы материи. Все тела представляют собой системы заряженных частиц, связанных полем, передающим действия от одних частиц к другим с конечной скоростью — скоростью света. Полагали, что поле — это состояние эфира, абсолютно неподвижной среды, заполняющей мировое абсолютное пространство. Позже было установлено (Х. Лоренц и др.), что при движении тел с очень большими скоростями, близкими к скорости света, происходит изменение поля, приводящее к изменению пространственных и временных свойств тел; при этом Лоренц считал, что длина тел в направлении их движения сокращается, а ритм происходящих в них физических процессов замедляется, причём пространственные и временные величины изменяются согласованно.
Вначале казалось, что таким путём можно будет определить абсолютную скорость тела по отношению к эфиру, а следовательно, по отношению к абсолютному пространству. Однако вся совокупность опытов опровергла этот взгляд. Было установлено, что в любой инерциальной системе отсчёта все физические законы, включая законы электромагнитных (и вообще полевых) взаимодействий, одинаковы. Специальная теория относительности А. Эйнштейна, основанная на двух фундаментальных положениях — о предельности скорости света и равноправности инерциальных систем отсчёта, явилась новой физической теорией П. и в. Из неё следует, что пространственные и временные отношения — длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нём процессов — являются не абсолютными величинами, как утверждала ньютонова механика, а относительными. Частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно неё частице как сферическая, а по отношению к налетающей на неё с очень большой скоростью частице — как сплющенный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного p-мезона составляет ~ 10-8 сек, а быстро движущегося (с околосветовой скоростью) — во много раз больше. Относительность пространственно-временных характеристик тел полностью подтверждена опытом. Отсюда следует, что представления об абсолютном П. и в. несостоятельны. П. и в. являются именно общими формами координации материальных явлений, а не самостоятельно существующими (независимо от материи) началами бытия. Теория относительности исключает представление о пустых П. и в., имеющих собственные размеры. Представление о пустом пространстве было отвергнуто в дальнейшем и в квантовой теории поля с его новым понятием вакуума. Дальнейшее развитие теории относительности показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс. При переходе к космическим масштабам геометрия П.-в. не является евклидовой (или «плоской», т. е. не зависящей от размеров области П.-в.), а изменяется от одной области космоса к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. Т. о., развитие физики и астрономии доказало несостоятельность как априоризма Канта, т. е. понимания П. и в. как априорных форм человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и ньютоновой догматической концепции П. и в.
Связь П. и в. с материей выражается не только в зависимости законов П. и в. от общих закономерностей, определяющих взаимодействия материальных объектов. Она проявляется и в наличии характерного ритма существования материальных объектов и процессов — типичных для каждого класса объектов средних времён жизни и средних пространственных размеров.
Из изложенного следует, что П. и в. присущи весьма общие физические закономерности, относящиеся ко всем объектам и процессам. Это касается и проблем, связанных с топологическими свойствами П. и в. Проблема границы (соприкосновения) отдельных объектов и процессов непосредственно связана с поднимавшимся ещё в древности вопросом о конечной или бесконечной делимости П. и в., их дискретности или непрерывности. В античной философии этот вопрос решался чисто умозрительно. Высказывались, например, предположения о существовании «атомов» времени (Зенон). В науке 17—19 вв. идея атомизма П. и в. потеряла какое-либо значение. Ньютон считал, что П. и в. реально разделены до бесконечности. Этот вывод следовал из его концепции пустых П. и в., наименьшими элементами которых являются геометрическая точка и момент времени («мгновения» в буквально смысле слова). Лейбниц полагал, что хотя П. и в. делимы неограниченно, но реально не разделены на точки — в природе нет объектов и явлений, лишённых размера и длительности. Из представления о неограниченной делимости П. и в. следует, что и границы тел и явлений абсолютны. Представление о непрерывности П. и в. более укрепилось в 19 в. с открытием поля; в классическом понимании поле есть абсолютно непрерывный объект.
Проблема реальной делимости П. и в. была поставлена только в 20 в. в связи с открытием в квантовой механике неопределённостей соотношения, согласно которому для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц. В действительности не существует реальных физических условий, при которых можно было бы измерить точное значение напряжённостей поля в каждой точке. Т. о., в современной физике установлено, что невозможна не только реальная разделённость П. и в. на точки, но принципиально невозможно осуществить процесс их реального бесконечного разделения. Следовательно, геометрическое понятия точки, кривой, поверхности являются абстракциями, отражающими пространственные свойства материальных объектов лишь приближённо. В действительности объекты отделены друг от друга не абсолютно, а лишь относительно. То же справедливо и по отношению к моментам времени. Именно такой взгляд на «точечность» событий вытекает из т. н. теории нелокального поля. Одновременно с идеей нелокальности взаимодействия разрабатывается гипотеза о квантовании П. и в., то есть, о существовании наименьших длины и длительности. Сначала предполагали, что «квант» длины — 10-13 см (порядка классического радиуса электрона или порядка «длины» сильного взаимодействия). Однако с помощью современных ускорителей заряженных частиц исследуются явления, связанные с длинами 10-14—10-15 см; поэтому значения кванта длины стали отодвигать ко всё меньшим значениям (10-17, «длина» слабого взаимодействия, и даже 10 -33 см).
Решение вопроса о квантовании П. и в. тесно связано с проблемами структуры элементарных частиц. Появились исследования, в которых вообще отрицается применимость к субмикроскопическому миру понятий П. и в. Однако понятия П. и в. не должны сводиться ни к метрическим, ни к топологическим отношениям известных типов.
Тесная взаимосвязь пространственно-временных свойств и природы взаимодействия объектов обнаруживается также и при анализе симметрии П. и в. Ещё в 1918 (Э. Нётер) было доказано, что однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, однородности времени — закон сохранения энергии, изотропности пространства — закон сохранения момента количества движения. Т. о., типы симметрии П. и в. как общих форм координации объектов и процессов взаимосвязаны с важнейшими сохранения законами. Симметрия пространства при зеркальном отражении оказалась связанной с существенной характеристикой микрочастиц — с их чётностью.
Одной из важных проблем П. и в. является вопрос о направленности течения времени. В ньютоновой концепции это свойство времени считалось само собой разумеющимся и не нуждающимся в обосновании. У Лейбница необратимость течения времени связывалась с однозначной направленностью цепей причин и следствий. Современная физика конкретизировала и развила это обоснование, связав его с современным пониманием причинности. По-видимому, направленность времени связана с такой интегральной характеристикой материальных процессов, как развитие, являющееся принципиально необратимым.
К проблемам П. и в., также обсуждавшимся ещё в древности, относится и вопрос о числе измерений П. и в. В ньютоновой концепции это число считалось изначальным. Однако ещё Аристотель обосновывал трехмерность пространства числом возможных сечений (делений) тела. Интерес к этой проблеме возрос в 20 в. с развитием топологии. Л. Брауэр установил, что размерность пространства есть топологический инвариант — число, не изменяющееся при непрерывных и взаимно однозначных преобразованиях пространства. В ряде исследований была показана связь между числом измерений пространства и структурой электромагнитного поля (Г. Вейль), между трехмерностью пространства и спиральностью элементарных частиц. Всё это показало, что число измерений П. и в. неразрывно связано с материальной структурой окружающего нас мира.
Основные понятия:
Пространственными характеристиками являются положения относительно др. тел (координаты тел), расстояния между ними, углы между различными пространственными направлениями (отдельные объекты характеризуются протяжённостью и формой, которые определяются расстояниями между частями объекта и их ориентацией). Временные характеристики — «моменты», в которые происходят явления, продолжительности (длительности) процессов. Отношения между этими пространственными и временными величинами называются метрическими. Существуют также и топологические характеристики П. и в. — «соприкосновение» различных объектов, число направлений. С чисто пространственными отношениями имеют дело лишь в том случае, когда можно отвлечься от свойств и движения тел и их частей: с чисто временными — в случае, когда можно отвлечься от многообразия сосуществующих объектов.
Однако в реальной действительности пространственные и временные отношения связаны друг с другом. Их непосредственное единство выступает в движении материи; простейшая форма движения — перемещение — характеризуется величинами, которые представляют собой различные отношения П. и в. (скорость, ускорение) и изучаются кинематикой. Современная физика обнаружила более глубокое единство П. и в., выражающееся в совместном закономерном изменении пространственно-временных характеристик систем в зависимости от движения последних, а также в зависимости этих характеристик от концентрации масс в окружающей среде.
