Свойства пространства и времени

Пространство и время объективны и реальны, т. е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. В рамках физической картины мира они выступают в качестве универсальных, всеобщих форм бытия материи на микро-, макрои мегауровнях. Не существует таких явлений, событий, предметов, которые находились бы вне пространства или вне времени.

Свойство трехмерности пространства означает, что положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых координат. В конце XX в. было обосновано положение об 11 пространственно-временных измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 — пространственных и 1 — временное. Затем из них возникает четырехмерный континуум (лат. continuum — непрерывное) макромира, остальные измерения оказываются «свернутыми» в микромире.

Любой физический процесс происходит одним и гем же образом, если:

• • осуществить его в любой другой точке пространства; эта симметрия выражает равноправие всех точек пространства, т. е. его однородность (отсутствуют выделенные точки пространства подобно Земле в геоцентрической системе мира);
• • систему, в которой осуществляется физический процесс, повернуть на произвольный угол; эта симметрия выражает равноправие всех направлений в пространстве, т. е. изотропность пространства;
• • повторить процесс через некоторый промежуток времени; эта симметрия выражает однородность времени. Однородность пространства, кроме прочего, означает, что в каждую его точку можно возвращаться; в этом смысле его однородность тождественна обратимости.

Напротив, однородность времени связана с тем, что время протекает только одним образом: из прошлого через настоящее к будущему. Поэтому время одномерно и необратимо: нельзя вернуться назад в какую-либо точку прошлого, но нельзя и «перепрыгнуть» через некоторый отрезок времени, и, минуя настоящее, оказаться в будущем.

Существует инвариантность законов природы по отношению к четырем типам преобразований: 1) переносу в пространстве; 2) вращению в пространстве; 3) сдвигу во времени; 4) преобразованию движения. Поэтому с конкретными свойствами пространства и времени тесно связаны важнейшие законы физики — законы сохранения, характеризующие такие свойства системы, которые не меняются в процессе преобразования некоторых переменных. В свою очередь, такого рода переменные служат выражением конкретного вида симметрии. Это демонстрирует известная теорема, которую доказала Эмми Нётер (1882—1935), немецкий математик. Согласно теореме Нётер каждое свойство симметрии пространства и времени можно сопоставить с конкретным законом сохранения:

• • однородность времени характеризует симметрию относительно сдвига во времени, и ей соответствует закон сохранения энергии;
• • однородность пространства характеризует симметрию относительно пространственного сдвига, и ей соответствует закон сохранения импульса. Импульс тела равен произведению его массы и скорости движения этого тела: р = то;
• • изотропность пространства характеризует симметрию по отношению поворота координатных осей, и ей соответствует закон сохранения момента импульса, или углового момента.

Момент импульса (кинетический момент, момент количества движения) характеризует количество вращательного движения. Он может быть определен как векторная физическая величина, направленная перпендикулярно плоскости, содержащей вектор импульса то и радиус-вектор г.

При таком определении момент импульса равен векторному произведению указанных векторов: L-rxmv.

Отмеченные законы трактуются как всеобщие, и до сих пор не найдено ни одного исключения. Считается также, что вся совокупность законов сохранения выражает субстанциальность движущейся материи, принцип ее несотворимости и неуничтожимости.

Идея А. Эйнштейна о том, что свойства пространства и времени тесно связаны с движением, логично приводит к мысли, что каждому виду движения соответствуют свои пространственно-временные характеристики. Именно поэтому в современной науке используются понятия биологического, психологического у геологического, астрономического у социального пространства и времени. Эти понятия отражают специфику проявления пространственно-временных свойств объектов, принадлежащих к разным сферам бытия материи. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут быть существенно отличными. Более подробно об этих разновидностях пространства и времени можно прочитать в рекомендованной литературе^[1].

• [1] См., например: Концепции современного естествознания: учебник для вузов / под ред. B. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. С. 153−158.