Пространство и время в теории относительности

Специальная теория относительности вводит некоторые новые представления о времени и пространстве для физических явлений, происходящих со скоростями, близкими к скорости света (так называемая релятивистская физика). Время и пространство здесь связаны друг с другом в единый четырехмерный пространственно-временной континуум. Метрические свойства времени и пространства теряют свойство абсолютности, какое они имели в классической физике. В теории относительности длительность временного интервала (промежуток времени) и длина тела уже зависят от скорости движения относительно системы отсчета, в которой они измеряются. Чем ближе эта скорость к скорости света, гем меньше величина временного и пространственного интервалов (на обыденном языке говорят: время замедляется, длина укорачивается).

В релятивистской физике было обращено особое внимание на понятие одновременности. Здесь оно также лишается свойства абсолютности, которым было наделено в классической физике. В СТО одновременность между событиями является относительной к системе отсчета. События, являющиеся одновременными в одной системе отсчета, будут не одновременными в другой системе отсчета, которая движется относительно первой с некоторой скоростью. Отношение порядка сохраняется лишь для событий, находящихся внутри светового конуса. За его пределами понятие временного порядка становится неопределенным. Правда, время и пространство в теории относительности, как и в классической механике, по-прежнему непрерывны. Абсолютным, т. е. ничем не обусловленным, в СТО является четырехмерный пространственно-временной континуум.

В ОТО Эйнштейна пространство-время уже лишается статуса абсолютности и его свойства зависят от характера распределения гравитационных масс. Пространство искривляется, а время замедляется под влиянием гравитационных масс. Пространство-время является неоднородным, неодинаковым для различных гравитационных условий. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство гравитационного поля. Общая теория относительности является наиболее развитой теорией пространства и времени на сегодняшний день в физике.

Уравнения Эйнштейна, формирующие предсказательную основу ОТО, имеют множество решений, каждое из которых описывает возможную четырехмерную конфигурацию пространства, времени и гравитации.

В 1918 г. Э. Нётер сформулировала теорему (теорема Нётер), которая устанавливает связь между свойствами симметрии физической системы и законами сохранения. Если свойства системы не изменяются при каком-либо преобразовании переменных, то этому соответствует сохранение некоторой физической величины. Так, независимости свойств системы от выбора начала отсчета времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии. Однородности пространства соответствует закон сохранения импульса. Изотропности пространства соответствует закон сохранения момента количества движения. Это выражает еще раз единство физических идей и геометрии пространства-времени в физической теории.

В альтернативных ОТО исследовательских программах, которые будут рассмотрены ниже, иногда предлагаются иные конструкции времени и пространства. Так, в исследовательской программе Е. А. Милна времени придается первостепенное по сравнению с пространством значение в том смысле, что понятие времени считается первичным, а понятие пространства — производным от него.

Причинная механика Козырева. Время и пространство являются столь фундаментальными понятиями в физических исследованиях, что построение альтернативных физик, развитие альтернативных исследовательских программ, непременно включает в себя их пересмотр. Н. А. Козырев предложил гипотезу о субстанциальной природе времени. Опираясь на нее, он обнаружил влияние земных и космических необратимых процессов на вес покоящихся и вращающихся тел, на некоторые свойства вещества (плотность, упругость, вязкость, электропроводность и др.). Действующий фактор необратимых процессов он связал с активными свойствами времени, с причинностью и существованием дополнительных (к известным) источников физической энергии.

В программе геометродинамики физические явления выводятся из свойств пространства-времени. Эта программа развивается Дж. Уилером и его последователями начиная с 1950;х гг. и гласит: «В мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства. Материя, заряд, электромагнитные и другие физические тела являются лишь проявлением искривленности пространства. Физика есть геометрия. Все физические понятия должны быть представлены с помощью пустого, различным образом искривленного пространства, без каких-либо добавлений к нему» [11, с. 159]. Классическая геометродинамика включает в себя построение из геометрии пространства-времени эквивалентов массы, заряда, электромагнитного поля. В этой теории частица выступает как чисто геометрическое понятие. Масса, время, длина, электромагнитные поля и т. д. являются объектами чистой геометрии, следовательно, физика оперирует только длинами и ничем другим. Эта программа была продолжена и в квантовой области.