Мерности пространства — времени

Важными характеристиками пространства и времени являются их мерности. Классическая физика использовала для описания механических процессов трехмерное пространство. Смысл трехмерности пространства в классической физике со стоит в том, что трем точкам на трех координатах соответствует одна единственная точка пространства и. наоборот, любой заданной точке пространства соответствует единственная тройка чисел, так что эти числа соответствуют точкам на координатах. Из этого следует, что в трехмерном пространстве можно описать любую форму механического движения.

Трехмерность пространства с нулевой кривизной настолько привычна в повседневном опыте, что до второй половины XIX века ни у кого не возникало сомнение в том, что никакого другого пространства кроме трехмерного быть не может. Не случайно поэтому вопрос о мерности пространства даже не ставился в философских системах до второй половины XIX века.

Между тем математика, исходя из своих собственных потребностей, начала разрабатывать аппарат n-мерного пространства, где n — не только любое число, но даже бесконечно большое. Вскоре выяснилось; что аппарат n-мерного пространства эффективен и для описания физических процессов. Так, в теории относительности было использовано четырехмерное пространство, в квантовой механике шестимерное пространство и т. д. Это привело к мысли, что пространство вообще необязательно характеризуется только тремя измерениями.

Поскольку в философии эта проблема ранее вообще не обсуждалась, то естественно было попытаться обобщить использование n-мерного пространства в физике. Оказалось, что вопрос о мерности пространства не связан с тем или иным решением основного вопроса философии. Тем не менее, наиболее приемлемо представление о многомерности пространства было для позитивистских направлений в философии. Это обусловлено тем, что согласно позитивизму всякое теоретическое построение имеет лишь тот смысл, что оно обобщает эмпирические факты, и если это обобщение удобно, то оно тем самым истинно.

От него не требуется соответствие физической реальности. Для материализма вопрос об объективности n-мерного пространства должен решаться исключительно на основании обобщения практики использования этого понятия в частнонаучном познании. Правда, отрицательное отношение к при знанию объективности многомерного пространства порождалось тем, что вокруг этого пространства возникли спекуляции идеалистического и мистического порядка. Попытки обосновать единственность трехмерного пространства строились на том, что каждый раз, когда вводится пространство с числом измерений больше трех, то каждому дополнительному измерению приписывается некоторое свойство, отличное от пространственных координат. Когда же затем интерпретируются полученные результаты, то опять-таки три пространственные координаты выделяются как описание пространственных характеристик данного процесса, а каждой другой координате сопоставляются значения того или иного свойства соответствующего процесса. Отсюда делается вывод, что истинное пространство всегда трехмерно.

Однако в моделях, которые отображают становление нашей Вселенной, приходится использовать десятимерное пространство, и все десять измерений характеризуют именно пространство. При переходе от становления к устойчивому состоянию, то есть к моменту, когда уже сформировались основные физические законы, изменяется и пространство. Семь из десяти координат как бы сворачиваются в точки и остается лишь три пространственных координаты. Важно подчеркнуть, что при любой интерпретации этой модели приходится иметь дело именно с десятью пространственными координатами. Сворачивание семи из них в точки осуществляется лишь постольку, поскольку для описания ныне существующих физических процессов трех пространственных координат достаточно.

Но можно пойти и другим путем, а именно предположить, что в процессе становления возникает два мира: один — это та физическая реальность, в которой мы живем и в которой пространство трехмерно, и второй мир, дополняющий первый и в котором пространство семимерно.

Те модели развития космических процессов, в которых используется такой аппарат многомерного пространства, где чисто пространственную интерпретацию получают координаты больше трех, остаются пока лишь гипотезами. Поэтому с достоверностью при описании физической реальности в нашем мире мы можем говорить лишь о трехмерном пространстве. Даже в том случае, если модель становления нашей Вселенной, использующая десятимерное пространство, окажется адекватной реальности, то и тогда в нашем реально существующем мире пространство остается трехмерным. Не исключено, что даже в этих моделях многомерность пространства является лишь математическим приемом.

Известно, что далеко не всегда те дополнительные математические построения, которые используются для доказательства тех или иных теорем, имеют реальный смысл.

Проблема времени также требует дополнительного обсуждения. Благодаря теории относительности, в которой время вводится как четвертая координата, характеризующая четырехмерное множество пространственно-временных событий, возникла тенденция отождествлять временную и пространственную координаты. Пространственные координаты не имеют направленности. Точнее, их направленность задается в целях описания соответствующих процессов. Поэтому в пространстве можно двигаться в любом направлении, что нисколько не противоречит никаким физическим законам. В отличие от этого время направлено. Мы не можем двигаться в обратном направлении по временной оси. Однако с физической точки зрения для многих фундаментальных физических теорий это не совсем так. Например, такие фундаментальные физические теории как классическая механика, теория относительности и даже квантовая механика описываются такими системами уравнений, которые инвариантны к знаку времени. А это означает, что если поменять знак времени, то есть направление событий, то это никак не повлияет на те законы, которые описываются этими уравнениями, то есть никаких противоречий не возникнет между законами этих фундаментальных физических теорий н обратным ходом времени. Поэтому и возникли фантастические представлении о том. что возможно обратное движение во времени, то есть возвращение как бы в прошлое. Эта иллюзия основана на том, что в уравнениях этих теорий реализуется принцип однозначной причинно-следственной связи. Причина и следствие абсолютно тождественны, и в силу этого обратный ход событий может осуществляться, не затрагивая законов этих теории. Так, планеты, которые вращаются по орбитам в одном направлении, могли бы вращаться и в противоположном, н законам механики это нисколько не противоречит. Правда, для квантовой механики утверждение об инвариантности ее законов к знаку времени является не совсем точным. Оно имеет смысл лишь постольку, поскольку уравнения связывают вероятности событий. Но если мы переходим к эксперименту, то в силу действия принципа неопределенности мы не можем воспроизвести последовательность событий в обратном порядке.

Есть лишь одна физическая концепция, в которой направленность событий во времени связана с самим законом. Это второе начало термодинамики. Формально второе начало было получено при анализе дифференциальной формы уравнений, характеризующих теплообмен. При этом было показано, что все формы энергии способны переходить без остатка в тепловую энергию, а эта последняя без остатка не может перейти ни в одну другую. Вследствие этого в изолированной системе количество теплоты неуклонно возрастает и в конечном счете все формы энергии переходят в тепловую, а эта последняя равномерно распределяется в пространстве. Такое состояние изолированной физической системы называется максимумом энтропии в ней. В общем случае говорят, что энтропия в изолированной системе может только возрастать, но не может уменьшаться. Наиболее существенно здесь то обстоятельство, что такая система не способна осуществлять работу, в ней ничего не происходит, она как бы мертва.

Когда благодаря работам Больцмана было показано, что энтропия — это хаос в движении молекул, то это понятие получило новую интерпретацию, которая позволила иначе сформулировать тот же закон. В изолированной системе хаос в движении молекул может только возрастать и не может уменьшаться. В конечном счете этот хаос достигает максимального значения.

Таким образом, благодаря второму началу термодинамики оказалось возможным связать направленность времени с действием одного из фундаментальных физических законов. Однако направленность изменений с точки зрения второго начала термодинамики имеет место лишь в изолированных физических системах. Но так как мир — это не изолированная система, то для мира с бесконечным пространством нельзя говорить о существовании соответствующей направленности. Как предположил Больцман, за бесконечное время существования Вселенной мир уже пришел в состояние теплового равновесия, то есть к максимуму энтропии. Но если принять. ту Интерпретацию энтропии, которую дал Больцман, иными словами, если предположить, что максимум энтропии — это хаос в движении молекул, то как раз благодаря хаотичности этого движения в нем должны возникать флюктуации — отклонения от средних значений. При этом такие флюктуации могут быть как угодно велики, если принять бесконечность мира. Весь видимый нами мир и есть такая большая флюктуация, но она рано или поздно должна погаснуть. Вновь должен воцариться хаос. Но с той же необходимостью в других районах бесконечного мира будут возникать и исчезать такие же флюктуации. Это означает, что мир, находясь в состоянии тепловой смерти, в то же время продолжает жить. Однако направленности изменений в нем в сущности нет. Происходит лишь круговорот, возникают и исчезают флюктуации.

В масштабах нашей Вселенной в соответствии с теорией Большого взрыва имеет место направленность изменений. При этом изменения происходят в направлении от первоначального хаоса в движении элементарных частиц к последовательному возникновению все более упорядоченных и сложных форм организации. Последовательно возникают квазары, звездные системы, планетные системы, жизнь на планетных системах и т. д. Движение явно развивается в направлении от хаоса к порядку. И все же речь здесь идет о локальной направленности времени. В какой мере направленность времени может считаться универсальной, современная физика не в состоянии дать ответ.

Но если мы сопоставим различные формы движения, то на уровне философского обобщения можем утверждать, что статистический характер не только фундаментальных физических законов, но и всех других законов природы предполагает объективность случайности и неопределенности и тем самым исключает саму возможность обратного хода событий, одно событие в силу неопределенности принципиально не может повториться. Следовательно, стрела времени всегда направлена от прошлого через настоящее к будущему.

Понятие мерности в том смысле как оно применяется к понятию пространства не применимо ко времени. Тем не менее имеется три существенно различных меры времени. Поскольку время — это количество изменения, то и для определения времени, то есть для его измерения мы должны сопоставлять, сравнивать различные процессы. Такое сравнение может быть внешним, когда сопоставляются разнокачественные процессы. Например, продолжительность жизни человека или животного можно сравнить с числом оборотов Земли вокруг Солнца или время вращения Земли вокруг своей оси сравнить с распадом атома. Такой способ определения времени является внешним. Однако, если соответствующие процессы взаимосвязаны, то и такой способ измерения времени полезен и отражает определенные объективные отношения.

Если же мы хотим рассмотреть время с точки зрения внутренних процессов, мы должны выделить в данном явлении такой тип изменений, который был бы существенным для данной системы и потому позволил бы выделить существенные временные характеристики. Так, можно считать, что период полураспада радиоактивных веществ характеризует их собственную природу и поэтому может быть основой временной характеристики атомных процессов. Точно так же в живых организмах темп обмена веществ, число клеточных делений может служить основой для определения собственного времени систем.

Третья временная характеристика — это продолжительность существования данного явления исходя из его собственной природы. Всякое качество ограничено и конечно, но эта конечность может определяться как внешними, так и внутренними факторами. Если мы в состоянии определить необходимое время существования данного объекта и отношение к этому необходимому время реального существования, то мы тем самым определим третью временную характеристику данной вещи, процесса и т. д.

Развитие физических теорий показало, что пространство и время меняются в зависимости от тех процессов, которые разворачиваются в них.