4.4. Концепция пространственно-временных отношений. Физический вакуум

Абстрактно-математическое описание пространственно-временных отношений фактически оформляется только в механистической картине мира. Ньютон вводит абсолютное («божественное») пространство как таковое, которое по своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

Относительное пространство есть мера абсолютного пространства или какая-либо подвижная его часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, и фактически задается пространственной системой отсчета.

Сведем для наглядности основные свойства пространства в механической картине мира в схеме 29.

Схема 29. Основные свойства пространства в механистической картине мира.

Однородность пространства. Все точки пространства обладают одинаковыми свойствами, и параллельный перенос не изменяет законов физики.

Изотропность пространства. Все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы физики.

Евклидовость пространства. Описывается геометрией Евклида (

Трехмерность пространства. Каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – координат.

Непрерывность пространства. Между двумя точками («местами») в пространстве, как бы они близко не располагались, всегда можно выделить третью точку («место»).

Итак, классическое понятие пространства связано с конструктивно-теоретическим моделированием его трехмерным разумным существом – человеком и абстрактно задается вопросами: выше - ниже; вперед - назад; вправо - влево, а оценивается самостоятельными физическими величинами: длина, площадь, объем.

Ньютон определяет и абсолютное (истинное) математическое время как такое понятие, которое само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Нетрудно обнаружить взаимосвязь понятия абсолютного времени с «перводвигателем» – Богом Аристотеля. Глубоко религиозный И. Ньютон в своем знаменитом труде «Математические начала натуральной философии» пытался связать воедино религиозную, философскую и естественнонаучную картины мира в целостной механистической картине мира.

В отличие от абсолютного, относительное время (вводимое разумным существом – человеком) есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: минута, час, день, месяц, год. Понять значение термина время труднее, чем термина пространство, так как его используют в двух значениях: им обозначают не только рассмотренное выше абстрактное понятие, но и физическую величину для количественного оценивания длительности (продолжительности процесса).

Сведем для наглядности основные свойства времени в механистической картине мира в схеме 30.

Схема 30. Основные свойства времени в механистической картине мира.

Однородность времени. Любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в различные моменты времени, протекают одинаково.

Непрерывность времени. Между двумя моментами, как бы близко они не располагались, всегда можно выделить третий. Дискретность времени и пространства носит гипотетический характер в модели гипомира.

Обратимость и необратимость времени. Законы классической механики симметричны относительно прошлого и будущего. Однако включение в механистическую исследовательскую программу равновесной термодинамики, привело к понятию необратимости времени, которую можно рассматривать как следствие второго начала термодинамики или принципа возрастания энтропии.

Основные свойства пространства и времени, систематизированные в схемах 29 и 30, используются не только в механистической, но и в других картинах мира, но при этом происходит объединение пространства и времени в специальной теории относительности, а также появление новых геометрий в общей теории относительности. Эволюция принципов относительности от Галилея до Эйнштейна и дополняющих постулатов приведена в лекции №3 в рамках механистической, электромагнитной и современной эволюционной картин мира. Исходя из концепции единства (целостности) пространственно-временных отношений в природе сгруппируем соответствующие пространственно-временные представления по теориям относительности, задав тем самым релятивистскую программу в схеме 31.

Схема 31. Основные пространственно-временные представления в релятивистской исследовательской физической программе.

Специальная теория относительности (СТО) Промежуток времени и расстояние оказываются относительными к выбору ИСО. Неизменным (инвариантным) относительно ИСО оказывается только четырехмерный пространственно-временной интервал между событиями: . Пространственные интервалы относительны, что проявляется в Лоренцевом сокращении размеров тел в направлении движения: . Временные интервалы относительны, что проявляется в том, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных: .

Общая теория относительности (ОТО) Пространство искривляется, становится неэвклидовым, по крайней мере, вблизи массивных тел и наблюдается гравитационное смещение и искривление солнечных лучей вблизи таких тел. Изменение геометрических свойств пространства-времени вблизи массивных тел приводит к появлению сильных гравитационных полей. Вблизи массивных тел время замедляет свой ход и даже в центре планет время течет медленнее, чем на поверхности.

Основополагающий вывод. Пространство-время является выражением наиболее общих отношений материальных объектов и вне материи существовать не может.

Взаимосвязь целостного пространства-времени с материей обуславливает и новые подходы к релятивистской динамике, что приводит к видоизменению формул для фундаментальных характеристик физических объектов, объединению законов сохранения импульса и энергии в единый закон сохранения импульса-энергии, а также к новому виду уравнения гравитации А. Эйнштейна. Систематизируем эти релятивистские формулы в схеме 32.

Схема 32. Основные формулы динамики релятивистской исследовательской физической программы.

Формулы фундаментальных физических величин Релятивистский импульс: . Полная энергия: . Энергия покоя: .

Связь между энергией и импульсом. , эта формула инвариантна относительно ИСО и фактически задает целостный закон сохранения импульса-энергии.

Основное уравнение релятивистской динамики: .

Уравнение гравитации А. Эйнштейна (в словесной формулировке) Пространственно-временная метрика = Плотность всех форм материи

Первоначально понятия пустота и вакуум (от лат. vacuum – пустота) были синонимами. Вакуум определял состояние газа в герметически замкнутом сосуде, при котором его давление значительно ниже атмосферного.

Однако, учитывая материальность пространства-времени, ученые начали его исследовать с помощью закачки в него энергии и открылся физический вакуум, как особый вид вещества, состоящий из виртуальных частиц и ответственный за квантовые и релятивистские свойства всех вещественных тел. Благодаря большей энергии по сравнению с предшествующими ускорителями, Большой адронный коллайдер (БАК) позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить новые представления о физическом вакууме и соответственно о квантовых релятивистских свойствах всех вещественных тел, некоторые из которых мы рассматривали выше, а другие рассмотрим в концепции квантовой механики.

Подчеркнем, что в современной физике нет такого понятия как пустое пространство. В действительности пространство – среда со сложной внутренней структурой, называемая физическим вакуумом. Эта среда гетерогенна и состоит из нескольких подсистем. И каждая подсистема ответственна за то или иное свойство окружающего нас макроскопического мира. Основная цель исследований на коллайдере как раз и состоит в изучении этой вакуумной среды. И здесь важны два свойства – масса элементарных частиц как энергетическая мера взаимодействия квантов поля с физическим вакуумом и необратимость времени, которая заложена на уровне соответствующего взаимодействия. По мере возрастания энергии коллайдеров открываются новые подсистемы и элементы структуры гетерогенного физического вакуума, простирающиеся от размера протона (10^-15 м) до масштаба квантовой гравитации (10^-35 м). Энергетические возможности коллайдера позволяют изучить две вакуумные подсистемы – кварк-глюонный конденсат со структурой 10^-15 м и хигговский конденсат со структурой 10^-18 м. Делается также попытка за счет искажения свойств бозона Хиггса найти носителей массы темной материи.