Что такое пространство-время?

С точки зрения физики, исследуя ничтожно малое пространство, мы увидим, что оно состоит из квантов. Но что это за кирпичики?

Люди, как правило, воспринимают пространство как нечто само собой разумеющееся. Ну, в самом деле: это просто-напросто пустота, фон для всего остального. Время тоже простая штука: беспрестанно тикает и тикает. Однако, если физики, долгие годы бившиеся над объединением их фундаментальных теорий, и сумели извлечь из этого хоть что-то полезное, так это то, что пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что любые, даже самые отчаянные попытки осмыслить её могут оказаться тщетными.

Альберт Эйнштейн увидел этот назревавший результат уже в ноябре 1916 года. Годом ранее он сформулировал общую теорию относительности, согласно которой гравитация является не силой, действующей в пространстве, а свойством самого пространства-времени. Шар, брошенный высоко вверх, по дуге возвращается к земле, потому что Земля так искажает окружающее его пространство-время, что пути шара и земли снова пересекаются. В письме к другу Эйнштейн размышлял о проблеме объединения общей теории относительности и его другого детища — зарождавшейся квантовой механики. Получалось, что, если объединение состоится, разговорами о том, что пространство искажается, ограничиться не удастся: придётся вести речь о его демонтаже. Обдумывая математические расчёты, он плохо понимал, с чего следует начать. «Как же я измучил себя на этом пути!» — написал он.

Продвинуться далеко Эйнштейну не удалось. Даже сейчас конкурирующих версий квантовой теории гравитации почти столько же, сколько учёных, работающих над данной темой. В горячих спорах упускают из виду важную истину: все конкурирующие версии говорят о том, что

пространство происходит от чего-то более глубокого. Эта идея идёт вразрез с 2500-летним опытом научного и философского осмысления пространства.

Вглубь чёрной дыры

Проблему, стоящую перед физиками, прекрасно иллюстрирует обычный магнит. Он легко поднимает с пола скрепку, несмотря на гравитацию целой планеты Земля. Гравитация слабее магнетизма, электрических и ядерных связей. Какими бы ни были квантовые эффекты, они чрезвычайно слабы. Единственное осязаемое свидетельство того, что они всё же существуют, — это пёстрый узор ранней Вселенной, который, как полагают, не мог появиться без участия квантовых флуктуаций гравитационного поля.

Лучше всего исследовать квантовую гравитацию с помощью чёрных дыр. «Они самые подходящие объекты для проведения экспериментов», — говорит Тед Джекобсон (Ted Jacobson) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (University of Maryland, College Park). Он и другие теоретики изучают чёрные дыры как теоретические точки опоры. Что произойдёт, если взять уравнения, которые отлично работают в ходе лабораторных исследований, и применить их для чёрной дыры — самого экстремального объекта? Проявится ли какой-нибудь тонкий изъян?

Согласно общей теории относительности, стоит какому-то материальному предмету попасть в центр чёрной дыры — и он окажется бесконечно сжатым. Это математический тупик, называемый сингулярностью. Теоретики не могут экстраполировать траекторию попавшего в чёрную дыру предмета за пределы сингулярности; там пресекается не только траектория, но и линия времени. Даже говорить про «там» проблематично, ибо само пространство-время, определяющее местоположение сингулярности, перестаёт существовать. Исследователи надеются, что квантовой теории удастся выступить в роли микроскопа, дающего возможность разглядеть, что происходит с материальным предметом, попадающим в сингулярность.

На подступах к чёрной дыре материя не настолько сжата и гравитация не настолько сильна, чтобы не работали известные нам законы физики. Однако они, как это ни странно, не работают. Границей чёрной дыры является горизонт событий, рубеж невозврата: материя, которая сюда попадает, вернуться не может. Спуск в дыру необратим, и это — физическая проблема, ибо все известные ныне законы фундаментальной физики, в том числе квантовой механики в её обычной интерпретации, обратимы. У вас должна быть, по крайней мере, принципиальная возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить то, что у вас было.

Очень похожая проблема встала перед физиками в конце 1800-х годов, когда они исследовали математику «чёрного тела», идеализированная модель которого представляет собой полость, заполненную электромагнитным излучением. Согласно теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, такой объект должен поглощать всё падающее на него излучение и никогда не сможет прийти к равновесию с окружающей средой. «Он поглощает бесконечное количество тепла из резервуара, температура которого остаётся постоянной», — объясняет Рафаэль Соркин (Rafael Sorkin) из Института теоретической физики «Периметр» (Perimeter Institute for Theoretical Physics) в Онтарио. Говоря на языке термодинамики, температура этого объекта фактически равна абсолютному нулю. Данный вывод противоречит результатам наблюдения за реальными чёрными телами (такими как печь). Опираясь на исследования Макса Планка, Эйнштейн показал, что чёрное тело может достичь теплового равновесия, если излучаемую энергию получают дискретные единицы, или кванты.

Над проблемой равновесия чёрных дыр физики-теоретики бьются уже почти полвека. В середине 1970-х годов недавно почивший Стивен Хокинг (Stephen Hawking) из Кембриджского университета (University of Cambridge) сделал огромный шаг вперёд: изучая с помощью квантовой теории поле излучения вокруг чёрных дыр, он показал, что температура этих объектов не является нулевой. В таком случае, они не только поглощают, но и излучают энергию. Хотя благодаря Хокингу чёрные дыры прописались в термодинамике, проблема необратимости усугубилась. Излучение чёрной дыры не несёт никакой информации о том, что у неё внутри. Это случайная тепловая энергия. Если, запустив данный процесс в обратном порядке, вы вернёте дыре её энергию, то поглощённая ею материя не выскочит назад; вы просто получите больше тепла. И нет оснований считать, будто попавшие в дыру материальные предметы всего лишь заперты в ней, но продолжают существовать, ибо, излучая, дыра сжимается и, согласно расчётам Хокинга, в конце концов неминуемо исчезает.

Эту проблему называют информационным парадоксом, так как чёрная дыра съедает ту информацию о поглощённых ею частицах, с помощью которой вы могли бы обратить их движение вспять. Если физика чёрных дыр действительно допускает обратимость любого процесса, то что-то должно нести информацию из этих дыр, и, чтобы так оно и было, возможно, нашу концепцию пространства-времени следует изменить.

Атомы пространства-времени

Тепло — это хаотическое движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, разумно предполагать, что они включают в себя частицы — в общем, имеют микроскопическую структуру. А поскольку чёрная дыра — это всего-навсего пустое пространство (согласно общей теории относительности, поглощаемая материя проходит через горизонт событий, но не может не исчезнуть), её частицы должны быть частицами самого пространства. Чёрная дыра, простая настолько, насколько может быть простым простор пустого пространства, скрывает в себе беспредельную сложность.

Даже теории, провозглашающие свою приверженность обычному пониманию пространства-времени, в конечном итоге приходят к выводу, что за этим безликим фасадом что-то скрывается. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий в Техасском университете в Остине (University of Texas at Austin), стремился дать описание гравитации, похожее на описание других сил природы. Однако и он вынужден был отметить, что пространство-время, если брать его в том масштабе, в каком оно проявляет себя максимально ярко, выглядит весьма и весьма необычно.

Первоначально физики изображали микроскопическое пространство в виде мозаики, сложенной из маленьких кусков. Считалось, что взглянув на него в масштабе Планка, то есть имея дело с умопомрачительно малой единицей длины, составляющей 10⁻³⁵ метров, мы увидим нечто вроде шахматной доски. Однако, на самом деле, картина пространства будет несколько иной. И, прежде всего, следует отметить, что в сетке этой шахматной доски разные направления неравноценны, в результате чего имеют место асимметрии, противоречащие специальной теории относительности. Например, скорость света может зависеть от его цвета — точь-в-точь как в стеклянной призме, расщепляющей свет на цвета радуги. И эти нарушения относительности будут бросаться в глаза, хотя обычно, имея дело с малыми масштабами, трудно наблюдать какие-либо эффекты.

Кроме того, термодинамика чёрных дыр заставляет усомниться в том, что пространство представляет собой простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете более или менее точно рассчитать число входящих в неё частей. Вбросьте в систему энергию и посмотрите на термометр. Если температура взлетела, вброшенную энергию получило сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, то, что вы измеряете, — это энтропия. Она характеризует микроскопическую сложность системы.

Если вы имеете дело с обычной материей, с увеличением изучаемого объёма растёт число молекул. Тут всё закономерно: увеличьте радиус пляжного мяча в 10 раз — и внутри него окажется в 1000 раз больше молекул. Однако, увеличив в 10 раз радиус чёрной дыры, вы получите всего лишь стократное увеличение числа её «молекул». Количество частиц, из которых состоит дыра, пропорционально площади её поверхности, а не её объёму. Чёрная дыра выглядит трёхмерной, а ведёт себя, как двухмерная.

Этот странный эффект называют голографическим принципом, потому что он ассоциируется с голограммой. Глядя на голограмму, мы видим трёхмерный объект, хотя, на самом деле, перед нами двухмерный лист плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические частицы пространства и его содержание, — а с этим согласны многие физики-теоретики, — то для создания пространства мало простого объединения маленьких кусочков.

Во всяком случае, отношение части к целому редко бывает простым. Молекула H₂O — это не просто частица воды. Вспомним известные нам свойства данной жидкости: она течёт, образует капли, рябь и волны, замерзает и кипит. Отдельная молекула H₂O ничего такого не делает: молекул должно быть много. Аналогично, кирпичики пространства могут не быть пространственными. «Атомы пространства не являются мельчайшими частицами пространства, — говорит Даниэле Орити (Daniele Oriti) из Института гравитационной физики Общества Макса Планка (нем. Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) в Потсдаме, Германия. — Они лишь то, из чего образуется пространство. Геометрические свойства пространства — новые, коллективные, более или менее точные свойства системы, состоящей из многих таких атомов».

Что именно представляют собой эти кирпичики, зависит от теории. В теории петлевой квантовой гравитации это — кванты объёма, взаимодействующие на основе квантовых принципов. В теории струн это — родственные электромагнитным поля, живущие в плоскости, образуемой движущейся струной — нитью или петлёй энергии. В М-теории, которую можно рассматривать как фундамент теории струн, это — особый тип частиц: мембрана, сжатая в точку. В теории причинностного множества (causal sets theory) это — события, связанные сетью причины и следствия. В теории амплитуэдра и некоторых других теоретических схемах никаких кирпичиков, образующих пространство, нет вообще — по крайней мере, в том смысле, в каком их обычно понимают.

Во всех этих теориях, несмотря на разные принципы их построения, используется так называемый «реляционизм» немецкого философа XVII—XVIII веков Готфрида Лейбница. С точки зрения реляционизма, пространство возникает из определённой структуры корреляций между объектами. Выходит, оно — своеобразный пазл. Вы начинаете с большой кучи кусочков, смотрите, какие между ними связи, и соответственно складываете из этих кусочков какую-то картину. Если два кусочка имеют что-то схожее, например цвет, их, по-видимому, следует разместить рядом; если же они сильно отличаются друг от друга, вы постараетесь разместить их так, чтобы между ними было большое расстояние. Выражаясь языком физики, это — сеть с определённой структурой связности. Отношения здесь задаются законами квантовой теории или другими принципами, и на этой основе образуется пространство.

Ещё одна общая для разных теорий тема — фазовые переходы. Пространство, которое складывается из кирпичиков, можно и разобрать. Затем из его кирпичиков можно создать нечто, совсем непохожее на пространство. «Подобно тому, как вещество имеет разные фазовые состояния, такие как лёд, вода и водяной пар, у атомов пространства, благодаря их способности перенастраиваться, тоже есть разные фазы», — утверждает Тхану Падманабхан (Thanu Padmanabhan) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики (Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics) в Индии. С этой точки зрения, чёрные дыры могут быть местами исчезновения пространства в ходе фазового перехода. Привычные теории рушатся, и нужна более фундаментальная теория для описания нового фазового состояния атомов пространства. Физика продолжает работать даже там, где исчезает пространство.

Запутанные сети

Большой интеллектуальный прогресс последних лет, разрушивший старые границы физических теорий, состоит в осознании того, что изучаемые физикой отношения могут быть связаны с квантовой запутанностью. Будучи сверхмощным типом корреляции, который исследуется в рамках квантовой механики, запутанность, по-видимому, первичнее пространства. К примеру, экспериментатор может сделать так, чтобы две частицы полетели в противоположных направлениях. Если эти частицы запутаны, то, каким бы огромным ни было разделяющее их пространство, между ними сохранится координация.

Обычно в разговорах о «квантовой» гравитации обсуждали квантовую дискретность, квантовые флуктуации, кучу других квантовых эффектов, но только не квантовую запутанность. Ситуация изменилась, когда в эти разговоры вмешались чёрные дыры. Пока существует чёрная дыра, в неё попадают запутанные частицы. Их партнёры, не поглощённые дырой, с её исчезновением остаются запутанными… ни с чем. «Хокинг назвал бы это проблемой запутанности», — говорит Самир Матур (Samir Mathur) из Университета штата Огайо (The Ohio State University).

Даже в вакууме, при отсутствии частиц, электромагнитные и другие поля демонстрируют внутреннюю запутанность. Измеряя поле в двух разных местах, вы увидите, что показания вашего прибора колеблются случайным, но скоординированным образом. И если вы разделите какую-то область на две части, эти части будут коррелировать друг с другом со степенью корреляции, зависящей от единственной общей для них геометрической величины — площади их контакта. В 1995 году Джекобсон заявил, что запутанность обеспечивает связь между наличием вещества и геометрией пространства-времени, а значит, может объяснить закон гравитации. «Чем больше запутанности, тем слабее гравитация, то есть жёстче пространство-время», — утверждает он.

В настоящее время целый ряд концепций квантовой гравитации — и, прежде всего, теория струн — отводит запутанности решающую роль. Теория струн применяет голографический принцип не только к чёрным дырам, но и ко всей Вселенной. При этом получился рецепт создания пространства — по крайней мере, некоторых его видов. Например, структурированные особым образом поля, пронизывая двухмерное пространство, генерируют дополнительное измерение. С появлением третьего измерения исходное двухмерное пространство превращается в границу более роскошного царства, известного как объёмное пространство. И то, что объединяет объёмное пространство в сопредельное целое, это — запутанность.

Для обоснования данной гипотезы Марк ван Раамсдонк (Mark Van Raamsdonk) из Университета Британской Колумбии (University of British Columbia) в 2009 году провёл элегантное доказательство. Предположим, что поля на границе не запутаны. Образуя пару некоррелирующих систем, они соответствуют двум автономным вселенным. Путешествовать из одной в другую невозможно. Когда системы запутываются, между автономными вселенными возникает нечто похожее на туннель или лаз, благодаря чему космический корабль получает возможность пролететь из одной вселенной в другую. С усилением запутанности туннель всё короче и короче, вселенные всё ближе и ближе друг к другу, и, наконец, их сближение достигает такой фазы, на которой говорить о них как о двух вселенных уже бессмысленно. «Появление большого пространства-времени напрямую связано с запутыванием степеней свободы, имеющихся у полей», — считает ван Раамсдонк. Наблюдаемые нами корреляции в электромагнитных и других полях являются остатком запутанности, обеспечивающей единство пространства.

По-видимому, запутанность определяет не только сопредельность пространства, но и многие другие его свойства. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл (Brian Swingle), ныне работающий в Мэрилендском университете в Колледж-Парке, объясняют универсальный характер гравитации — то, что она затрагивает все объекты и не поддаётся экранированию, — вездесущностью запутанности. Что касается чёрных дыр, то Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфордского университета (Stanford University) и Хуан Мальдацена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, считают, что запутанность между чёрной дырой и её излучением создаёт лаз — чёрный вход в дыру. Возможно, это поможет физике чёрных дыр решить проблему сохранения информации и обратимости.

Данные идеи теории струн работают только в рамках конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства. Некоторые исследователи попытались объяснить, как всё пространство может возникнуть с чистого листа. К примеру, Чуньцзюнь Цао (ChunJun Cao), Спиридон Михалакис (Spyridon Michalakis) и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), начинают с минималистского квантового описания системы, введённой без прямой ссылки на пространство-время и даже на материю. Если система имеет правильную структуру корреляций, её можно расщепить на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.

Не только в физике, но и в других естественных науках пространство и время — основа всех теорий. Однако мы не можем наблюдать пространство-время непосредственно. Мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что некий механизм, действующий в пространстве-времени, — это наиболее экономичное объяснение наблюдаемых нами явлений. Но главный урок, который следует извлечь из теории квантовой гравитации, состоит в следующем: не все явления аккуратно вписываются в пространство-время. Физикам нужно найти какой-то новый фундамент, и, найдя его, они смогут завершить революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.

22century.ru

время — это… Что такое Пространство-время?

Простра́нство-вре́мя (простра́нственно-временно́й конти́нуум) — физическая модель, дополняющая пространство равноправным^[1] временны́м измерением и таким образом создающая теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом.

В соответствии с теорией относительности, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение, и все четыре измерения органически связаны в единое целое, являясь почти равноправными и в определенных рамках (см. примечания ниже) способными переходить друг в друга при смене наблюдателем системы отсчёта.

В рамках общей теории относительности пространство-время имеет и единую динамическую природу, а его взаимодействие со всеми остальными физическими объектами (телами, полями) и есть гравитация. Таким образом, теория гравитации в рамках ОТО и других метрических теорий гравитации есть теория пространства-времени, полагаемого не плоским, а способным динамически менять свою кривизну.

Пространство-время непрерывно и с математической точки зрения представляет собой многообразие с лоренцевой метрикой.

Современные представления

Первый развёрнутый вариант модели естественного объединения пространства и времени, пространство Минковского, был создан Германом Минковским в 1908 году^[2] на основе специальной теории относительности Эйнштейна, а несколько ранее (в 1905 году), ключевое продвижение на этом пути сделал Анри Пуанкаре, заложивший основы четырехмерного пространственно-временного формализма.

Концепцию пространства-времени допускает и классическая механика^[3], но в ней это объединение искусственно, так как пространство-время классической механики — прямое произведение пространства на время, то есть пространство и время независимы друг от друга. Однако уже классическая электродинамика требует при смене системы отсчета преобразований координат, включающих время «наравне» с пространственными координатами (т. н. преобразований Лоренца), если желать, чтобы уравнения электродинамики имели одинаковый вид в любой инерциальной системе отсчета. Непосредственно наблюдаемые временные характеристики электромагнитных процессов (периоды колебаний, времена распространения электромагнитных волн и т. п.) уже в классической электродинамике оказываются зависящими от системы отсчета (или, иначе говоря, от относительного движения наблюдателя и объекта наблюдения), то есть оказываются не «абсолютными», а определенным образом связанными с пространственным движением и даже положением в пространстве системы отсчёта, что и явилось первым толчком для формирования современной физической концепции единого пространства-времени.

Ключевым математическим отличием пространства-времени (пространства Минковского, или, в случае общей теории относительности — четырехмерного многообразия с лоренцевой метрикой) от обычного евклидова 4-мерного пространства является то, что при вычислении расстояния (интервала) квадраты значений разностей времени и длин пространственных координат берутся с противоположными знаками (в обычном пространстве соответствующие значения равноправны для любой оси координат и имеют одинаковый знак). Из этого вытекает следующее: прямая между двумя точками этого континуума (под прямой понимается движение по инерции) даёт максимальную продолжительность собственного времени (интервала). Для пространственной же длины прямая — это минимальная, а не максимальная величина.

В контексте теории относительности время неотделимо от трёх пространственных измерений и зависит от скорости наблюдателя^[4] (см. собственное время).

Концепция пространства-времени сыграла исторически ключевую роль в создании геометрической теории гравитации. В рамках общей теории относительности гравитационное поле сводится к проявлениям геометрии четырехмерного пространства-времени, которое в этой теории не является плоским (гравитационный потенциал в ней отождествлен с метрикой пространства-времени).

Количество измерений, необходимых для описания Вселенной, окончательно не определено. Теория струн (суперструн), например, требовала наличия 10 (считая время), а теперь даже 11 измерений (в рамках М-теории). Предполагается, что дополнительные (ненаблюдаемые) 6 или 7 измерений свёрнуты (компактифицированы) до планковских размеров, так что экспериментально они пока не могут быть обнаружены. Ожидается, тем не менее, что эти измерения каким-то образом проявляют себя в макроскопическом масштабе. В самом старом — бозонном — варианте теория струн требует 26-мерного объемлющего пространства-времени; предполагается, что «лишние» измерения этой теории также должны или могут быть компактифицированы сперва до 10, сводясь таким образом к теории суперструн, а потом уже, как упомянуто здесь чуть выше, до 4 обычных измерений.

См. также

Примечания

1. ↑ Точнее, почти равноправным: на самом деле практически в любой современной формулировке временное измерение сохраняет некоторое отличие от пространственных, хотя это часто замаскировано. Это отличие проявляется прежде всего в сигнатуре метрики пространства-времени (см. Пространство Минковского).
2. ↑ Hermann Minkowski, «Raum und Zeit», 80. Versammlung Deutscher Naturforscher (Köln, 1908). Published in Physikalische Zeitschrift 10 104—111 (1909) and Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung 18 75-88 (1909).
3. ↑ Работы В. И. Арнольда, в частности, «Математические методы классической механики».
4. ↑ Притом, что формально переход к движущейся системе отсчета аналогичен повороту осей в пространстве Минковского (и это даёт простой и компактный способ пересчета реальных физических величин, то есть имеет вполне наблюдаемые нетривиальные физические следствия!), тем не менее, как бы не интерпретировать эту формальную аналогию с поворотом в обычном пространстве, на повороты в пространстве-времени наложены существенные физические ограничения, также определяющие ограничения аналогии пространства-времени с обычным евклидовым пространством, хотя бы и четырёхмерным (то есть описываемое в этом примечании — это ещё одна сторона качественного отличия пространства-время теории относительности от «просто» четырёхмерного пространства). Так, в рамках специальной теории относительности невозможен, а в рамках общей (где надежный анализ всех сложных случаев сильно затруднен) — крайне сомнителен, плавный непрерывный поворот движения наблюдателя в сторону обратного движения по времени (тогда как в обычном пространстве можно поворачивать в любую сторону).

Ссылки

dic.academic.ru

Пространство и время

Известно, что все те предметы, которые нас окружают, имеют определенные размеры: высота, длина, ширина (критерии их протяженности в пространстве). Эти предметы могут перемещаться относительно друг друга или вместе с планетой Земля. В последнем случае предметы перемещаются по отношению к другим космическим телам. Это могут быть звезды, планеты, созвездия, галактики. 

Предметы также могут перемещаться и изменяться во времени. Происходит взаимодействие материальных образований, в итоге они развиваются и трансформируются в другие формы.

В этой связи время и пространство относятся к всеобщим формам бытия. Иначе говоря, они являются атрибутами материальных систем. Не существует предмета, находившегося бы вне пространства и времени, аналогично нет времени и пространства, которые бы существовали сами по себе, вне постоянно движущейся (изменяющейся) материи.

Философия знает две концепции относительно понимания пространства и времени. Первая концепция обозначается как Демокрита-Ньютона (субстанциональная), другая – Аристотеля-Лейбница (реляционная). Обе они направлены на выяснение вопроса об отношениях пространства и времени к материи.

Субстанциональная концепция

Данная концепция вышла из метафизического русла и соответствует принципам классической механики. Принципы классической механики были предположены еще древними мыслителями, и только к первой четверти ХVIII столетия фундаментально обосновать ее смог Исаак Ньютон. 

Пространство рассматривали как бесконечную пустую протяженность. Она вмещает в себя все тела (предметы). Время же относилось к равномерному потоку длительности, который не зависел от каких-либо процессов. Время является абсолютным. 

Материя существует сама по себе и как бы «погружена» в пространство и время. Поэтому отношение между пространством, временем и материей выражалось в отношении, в котором они выступали как самостоятельные субстанции.

Реляционная концепция 

Она вышла из диалектической традиции, представителями который были Аристотель, Лейбниц, Гегель. Концепцию сформировали в диалектическом материализме. Окончательно она была подтверждена в теории относительности Эйнштейна. 

Ученый раскрыл непосредственную связь пространства и времени с движущейся материей и друг с другом. Фундаментальным выводом теории было утверждение того, что пространство и время нельзя представить без существования материи. Распределение и взаимодействие материальных масс создают метрические свойства. Иначе говоря, они образуются за счет гравитации. 

Сам Эйнштейн, отвечая на вопрос о сути своей теории, говорил, что раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Следуя принципам теории относительности, при исчезновении вещей, вместе с ними бы исчезали пространство, и время.

Краткая биография и научная деятельность Альберта Эйнштейна

Эйнштейн Альберт (1879-1955 гг.) был знаменитым физиком-теоретиком. Он является к одним из основателей современной физики. Его месторождения – Германия. Ученый рос в богатой еврейской семье. В 1893 году перебрался в Швейцарию. Закончил политехникум в Цюрихе в 1900 году. 

Альберт начинал свою трудовую деятельность в патентном бюро в Берне с 1902 по 1909 годах. 

zaochnik.com

ВРЕМЯ — это… Что такое ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ?



ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ

ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ, центральная концепция в теории ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, объединяющая три измерения ПРОСТРАНСТВА (длину, ширину и высоту) с ВРЕМЕНЕМ, образуя четырехмерную систему отсчета. Продолжительность и скорость процессов зависят от относительного положения движения наблюдателя и наблюдаемой системы. Первым, кто пролил свет на понятие относительности, был Герман Минковский, учитель Альберта ЭЙНШТЕЙНА, описавший в 1907 г. пространство и время в терминах четырехмерной геометрии. Событие в пространстве-времени обозначается тремя координатами пространства и координатой времени. Линия, проведенная в четырехмерном пространстве, представляет движение частицы как в трехмерном пространстве, так и во времени. Эйнштейн ввел эту идею в свою теорию относительности: в общей теории ГРАВИТАЦИЯ является искажением пространства-времени ВЕЩЕСТВОМ. Выводом из этого релятивистского представления о времени является то, что два события могут происходить одновременно только для одного наблюдателя: другой наблюдатель не увидит одновременности этих событий. см. также СЖАТИЕ ЛОРЕНЦА-ФИЦДЖЕРАЛЬДА.

Научно-технический энциклопедический словарь.

• ПРОСТРАНСТВО
• ПРОТАКТИНИЙ

Смотреть что такое «ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ» в других словарях:

• пространство-время — пространство время, пространства времени …   Орфографический словарь-справочник

• Пространство-время —     Общая теория относительности …   Википедия

• ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — термин, обозначающий геометрия, конструкцию, к рая описывает пространственные и временные отношения в тех физич. теориях, в к рых эти отношения рассматриваются как взаимозависящие (эти теории принято наз. релятивистскими). Впервые понятие П. в.… …   Математическая энциклопедия

• пространство-время — простра/нство вре/мя, простра/нства вре/мени …   Слитно. Раздельно. Через дефис.

• Пространство, время, материя —         «ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, МАТЕРИЯ» ставший классическим итоговый труд Г. Вейля по теории относительности (Weyl H. Raum, Zeit, Materie. Verlesungen ueber allgemeine Relativitaetstheorie. Berlin, 1. Aufl. 1918; 5. Aufl. 1923; рус. пер.: Вейль П …   Энциклопедия эпистемологии и философии науки

• Пространство-время теории Ньютона — Для улучшения этой статьи желательно?: Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение). Абсолютное п …   Википедия

• МИНКОВСКОГО ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — четырехмерное пр во, объединяющее физ. трёхмерное пр во и время; введено нем. учёным Г. Минковским (Н. Minkowski) в 1907 08. Точки в М. п. в. соответствуют «событиям» спец. теории относительности (СТО; (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ)). Положение… …   Физическая энциклопедия

• КЁРРА ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — четырёхмерное стационарное аксиально симметричное асимптотически плоское пространство время. Его метрика является точным решением ур ний Эйнштейна общей теории относительности (ОТО) в вакууме ( Риччи тензор Rik= = 0). Впервые найдено Р. Керром (R …   Физическая энциклопедия

• ШВАРЦШИЛЬДА ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — пространство время вне массивного невращающегося тела в вакууме (тензор Риччи Rik = 0). Элемент длины ds определяется выражением где r,q, f сферические координаты с центром в центре массивного тела, M масса тела. Это решение ур ний Эйнштейна… …   Физическая энциклопедия

• ДИСКРЕТНОЕ ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — одна из гипотез возможной структуры пространства в микромире, характеризуемая представлением об элементарных попарно несвязных компонентах пространства, точки к рых не разделяются наблюдаемыми величинами. Приемлемой формализацией Д. п. в. могут… …   Математическая энциклопедия

dic.academic.ru

Что такое пространство? / Habr

Не то, что вы думаете

Попросите группу физиков и философов определить «пространство», и вы, скорее всего, увязнете в долгой дискуссии, в которой будут встречаться такие глубокие, но бессмысленные комбинации слов, как «сама ткань пространства-времени является физическим проявлением концепций квантовой энтропии, сотканной воедино универсальной природой местоположения». Если подумать, может вам и не стоит затевать глубокие дискуссии между физиками и философами.

Является ли пространство просто бесконечной пустотой, лежащей в основе всего? Или же это пустота между объектами? Что, если пространство – это ни то, ни другое, а вовсе даже и физическая сущность, способная плескаться, будто ванна с водой?

Оказывается, что природа пространства – одна из величайших и самых странных загадок Вселенной. Так что приготовьтесь к… пространным рассуждениям.


— Я занимаюсь исследованиями пространства

Пространство – это физическая сущность

Как многие глубокие вопросы, вопрос о природе пространства сначала кажется простым. Но если вы бросите вызов своей интуиции и вновь обдумаете вопрос, вы увидите, что ясный ответ на него найти тяжело.

Большинство людей представляют себе пространство, как пустоту, в которой всё происходит – как большой пустой склад, или театральную сцену, на которой разворачиваются события Вселенной. В этом смысле, пространство – отсутствие вещей. Это пустота, ждущая заполнения, как, например, «Я оставил место под десерт» или «Я нашёл отличное место для парковки».

Экспонат А: пространство

Если следовать этому представлению, тогда пространство может существовать само по себе, без заполняющей его материи. К примеру, если представить, что во Вселенной существует конечное количество материи, вы можете представить, что вы полетели так далеко, что достигли точки, за которой вообще нет материи, и вся материя осталась позади. Перед вами раскинулся бы чистый и пустой космос, а за ним пространство может простираться до бесконечности. С этой точки зрения, пространство – это бесконечная пустота.

— Космос, должно быть, очень одинок

Может ли существовать такая штука?

Такое представление о пространстве кажется разумным и вроде бы соответствует нашему опыту. Но один из уроков истории состоит в том, что каждый раз, когда мы считаем что-либо очевидно верным (Земля плоская, поедание большого количества печенек, продаваемых девочками-скаутами, полезно), мы должны настроиться на скептический лад и заново изучить это понятие. Более того, мы должны рассмотреть и абсолютно другие объяснения того же самого опыта. Может быть, мы не подумали о каких-то теориях. Может быть, существуют связанные с этой теории, где наш опыт по поводу вселенной – всего лишь один из странных примеров. Иногда самым тяжёлым оказывается определение наших допущений, особенно когда они кажутся естественными и простыми.

В нашем случае есть и другие разумно выглядящие идеи того, чем может быть пространство. Что, если пространство не может существовать без материи – что, если это не что иное, как взаимоотношение между частями материи? С этой точки зрения чистого пустого пространства не бывает, поскольку идея о пространстве, простирающемся за пределы последней частички материи, не имеет смысла. К примеру, нельзя измерить расстояние между двумя частицами, если у вас нет частиц. Концепция пространства закончится, когда не будет определяющих его частиц. А что появится после этого? Не пустое пространство.

Экспонат Б: пространство

Это странное и контринтуитивное представление о пространстве, особенно учитывая то, что мы никогда не встречались с концепцией не-пространства. Но странность никогда не была препятствием для физики, так что не отвергайте эту возможность.

Какое пространство у нас?

Какое из упомянутых представлений о пространстве правильное? Похоже ли пространство на бесконечную пустоту, ждущую, пока её заполнят? Или оно существует только в контексте материи?

Оказывается, что наука вполне уверена в том, что пространство не описывается ни одной из них. Пространство – явно не пустота, и явно не простое взаимоотношение частиц материи. Мы знаем это, поскольку наблюдали поведение пространства, не укладывающееся ни в одну из этих идей. Мы наблюдали, как пространство искривляется, идёт рябью и расширяется.

В этот момент ваш мозг должен сказать: «Чтаааааааа?..»

Если вы не отвлекались от чтения, вас должны были удивить такие фразы, как «искривление пространства» и «расширение пространства». Что они могут означать? Какой в них смысл? Если пространство – это идея, она не может искривляться или расширяться, как нельзя его порубить на кубики и пожарить с кориандром (кроме как в Калифорнии, где с кориандром можно сделать всё, что угодно). Если пространство – это наша линейка, измеряющая местоположение вещей, как мы можем измерить искривление или расширение пространства?

Отличные вопросы! Причина, по которой идея искривления пространства сбивает с толку, в том, что большинство из нас растёт с представлением о пространстве, как о невидимом заднике, на фоне которого всё происходит. Возможно, вы представляете пространство, как театральную сцену, упомянутую ранее, с жёсткими деревянными планками в качестве пола и с жёсткими стенами по сторонам. И, возможно, вы представляете, что ничто во Вселенной не способно изгибать эту сцену, поскольку эта абстрактная конструкция не является частью Вселенной, а является тем, что содержит Вселенную.

— По-моему, прямая

К сожалению, тут ваше представление ошибается. Чтобы понять смысл общей теории относительности и размышлять о современных теориях пространства, вам необходимо расстаться с идеей пространства как абстрактной сцены и принять её физическую сущность. Вам нужно представить, что у пространства есть свойства и поведение, и что оно реагирует на материю Вселенной. Его можно ущипнуть, сжать, и даже заполнить кориандром.

К этому времени ваш мозг уже должен подавать сигналы тревоги, связанные с бессмысленностью происходящего: «Что за #@#$?!?!» Это понятно. Но держитесь, поскольку реальное сумасшествие ещё впереди. К концу повествования ваши сигналы тревоги выдохнутся. Но нам нужно аккуратно раскрыть эти концепции, чтобы понять идеи и оценить по-настоящему странные и основные загадки пространства, остающиеся неразгаданными.

Космическое желе – и вы в нём плаваете

Как пространство может быть физическим объектом, способным идти рябью или изгибаться, и что это означает?

Это означает, что вместо того, чтобы представлять собой нечто вроде пустой комнаты, пространство больше похоже на огромный кусок густого желе. Обычно предметы могут двигаться в желе без проблем, как мы можем двигаться в комнате, заполненной воздухом, не замечая частиц воздуха. Но в определённых условиях это желе может искривляться, изменяя процесс прохождения предметов через него. Оно также может сжиматься и идти волнами, изменяя форму вещей, находящихся внутри него.

Экспонат В: пространство

Это желе (назовём его «пространственное желе») не будет идеальной аналогией природе пространства (желе существует в пространстве, но мы не знаем, существует ли пространство внутри чего-либо ещё), но она поможет вам представить, что пространство, в котором вы находитесь сейчас, не обязательно фиксированное и абстрактное. Вы находитесь в определённой среде, и эта среда может растягиваться или дрожать или искажаться так, что вы можете этого и не ощущать.

Возможно, сквозь вас только что прошла волна пространства. Или же вас сейчас растягивает в странном направлении, а вы и не знаете. До недавнего времени мы даже не замечали, что желе вообще как-то ведёт себя, кроме того, что просто находится на своём месте и никуда не девается, почему мы и путали его с пустотой.

Так что же может делать это пространственное желе? Оказывается, много чего странного.

Во-первых, пространство может расширяться. Давайте хорошенько подумаем о том, что означает расширение пространства. Оно означает, что предметы отдаляются друг от друга, не двигаясь при этом относительно желе. В нашей аналогии представьте, что вы находитесь в желе, и внезапно желе начинает расти и расширяться. Если вы сидите напротив другого человека, этот человек теперь находится дальше от вас, при том, что вы оба не двигались относительно желе.

— Мне кажется, мы отдаляемся друг от друга

Откуда мы знаем, что желе расширилось? Не расширится ли и линейка, которой мы измеряем желе? Пространство между атомами линейки расширилось бы и растянуло их в стороны. Если бы линейка была сделана из очень мягкой ириски, она бы расширилась. Но если ваша линейка твёрдая, все её атомы крепко держатся друг за дружку (при помощи электромагнитных сил), и линейка остаётся той же длины, благодаря чему вы замечаете появление дополнительного пространства.

А о расширении пространства мы знаем, потому что видим его расширение – так была открыта тёмная энергия. Мы знаем, что в ранней Вселенной пространство расширялось с шокирующими скоростями, и что подобное расширение происходит и сегодня.

Также мы знаем, что пространство может изгибаться. Наше желе можно сжимать и деформировать, будто ириску. Мы знаем это из общей теории относительности Эйнштейна, где описано, что гравитация суть искривление пространства. Когда у предмета есть масса, она заставляет окружающее пространство искажаться и менять форму.

Когда пространство меняет форму, предметы уже не движутся сквозь него так, как вы могли бы представить. Вместо того, чтобы двигаться по прямой, бейсбольный мяч, проходящий через кучу искривлённого желе, искривится вместе с ним. Если желе сильно искривлено чем-то тяжёлым, типа мяча для боулинга, бейсбольный мяч может даже начать двигаться вокруг него – так, как Луна двигается вокруг Земли, или Земля вокруг Солнца.

Это мы можем наблюдать невооружённым глазом! К примеру, свет искажает свой путь, проходя рядом с массивными объектами, например, нашим Солнцем или гигантскими комками тёмной материи. Если бы гравитация была просто силой, действующей между объектами с массой, она не смогла бы притягивать фотоны, не обладающие массой. Единственное, как можно объяснить искривление пути света – это искривление самого пространства.

Хитрый бросок по-эйнштейновски

Наконец, мы знаем, что пространство может идти волнами. Это не так уж и странно, учитывая, что мы знаем, что пространство может растягиваться и искривляться. Интересно то, что искривление и растяжение может распространяться по желе – и это называется гравитационной волной. Если вы совершите внезапное искривление пространства, оно распространится наружу как звуковая волна или как волна в жидкости. Такое поведение может происходить только, если у пространства есть определённая физическая природа, и оно не является простой абстрактной концепцией чистой пустоты.

Мы знаем, что эти волны реальны потому, что ОТО их предсказывает, и что мы их на самом деле зарегистрировали. Где-то во Вселенной две чёрных дыры бешено вращались в объятиях друг друга, и тем самым причиняли огромные возмущения пространства, распространяющиеся наружу. Используя очень чувствительное оборудование, мы обнаружили эти волны здесь, на Земле.

Эти волны можно представлять, как волны растягивающегося и сжимающегося пространства. При прохождении такой волны пространство сжимается в одном направлении и расширяется в другом.

Странное поведение, на которое способно пространство: расширяться, искривляться, волноваться, ходить колесом

Ну неу-желе это так и есть? Вы уверены?

Как ни безумно звучит идея о том, что пространство – это предмет, а не просто пустота, именно об этом и сообщает нам Вселенная через наше восприятие. Наши экспериментальные наблюдения чётко показывают, что расстояние между объектами в пространстве измеряется не на невидимом абстрактном заднике, а зависит от свойств пространственного желе, в котором все мы живём, едим печенье и режем кинзу.

Но если представление о пространстве, как о динамическом предмете с физическими свойствами, и может объяснить такие явления, как расширение и искривление пространство, оно в результате приводит нас к новым вопросам.

К примеру, у вас может появиться искушение сказать, что то, что мы называли пространством, теперь нужно называть физическим желе («физле»), но ведь это желе должно находиться в чём-то, что теперь мы снова можем назвать пространством. Это было бы очень хитро, но, насколько нам известно (а известно нам немного), желе не обязательно находиться в чём-то ещё. Когда желе искривляется и искажается, то это искажение меняет взаимодействие его частей – это не искажение желе по отношению к какой-то большей комнате, которую она заполняет.

Но только то, что нашему пространственному желе не обязательно находиться внутри чего-то ещё, не значит, что оно не находится внутри чего-то ещё. Возможно, то, что мы называем пространством, находится внутри большего «сверхпространства». Возможно, что это сверхпространство похоже на бесконечную пустоту – но нам это неизвестно.

Возможно ли, чтобы в каких-то частях Вселенной не было пространства? Иначе говоря, если пространство – желе, возможно ли, чтобы существовало и отсутствие желе, не-желе? Смысл этих концепций не совсем понятен, поскольку все наши физические законы подразумевают существование пространства – так какие законы могли бы работать вне пространства? Мы не знаем.

— Так что там снаружи желе?
— К со-желе-нию, неизвестно.

Новое представление о пространстве как о предмете появилось недавно, и мы находимся в самом начале понимания того, что есть пространство. В каком-то смысле мы пока связаны нашими интуитивными понятиями. Эти понятия хорошо работали, когда ранние мужчины и женщины охотились и собирали доисторическую кинзу, но нам нужно вырваться из оков этих концепций и понять, что пространство совсем не похоже на то, как мы себе его представляли.

Напрямую об изогнутом пространстве

Если ваш мозг пока ещё не болит от всех этих желейных концепций искажения пространства, вот вам ещё одна загадка: пространство плоское или изогнутое (и если изогнутое, то в какую сторону?)

Вопросы безумные, но их вполне можно задать, приняв идею о податливом пространстве. Если пространство может изгибаться вокруг объектов с массой, может ли у него быть общая кривизна? Это как спросить, плоское ли наше желе: вы знаете, что его можно деформировать, нажав на какую-нибудь точку, но проседает ли оно в целом? Или же оно идеально прямое? О космосе можно задать такие же вопросы.

Ответы на эти вопросы очень серьёзно повлияют на наше представление о Вселенной. К примеру, если пространство плоское, это значит, что путешествуя в одну сторону, вы просто будете продолжать двигаться, возможно, бесконечно.

Но если пространство искривлено, тогда могут происходить другие интересные вещи. Если кривизна пространства положительная, тогда, путешествуя в одном направлении, вы сделаете петлю и вернётесь на то же самое место с другой стороны! Это полезная информация если вы, например, не любите, когда к вам подкрадываются сзади.

Самый долгий розыгрыш во Вселенной

Объяснять идею искривлённого пространства довольно сложно, поскольку наш мозг не очень хорошо приспособлен для визуализации подобных концепций. Да и зачем бы ему это понадобилось? Большая часть нашего повседневного опыта (избегание хищников или поиск ключей от машины) имеет дело с трёхмерным миром, выглядящим неподвижным (хотя, если бы нас атаковали инопланетяне, способные менять кривизну пространства, надеюсь, что и мы бы с этим справились).

Что означало бы для пространства наличие кривизны? Один из способов визуализации – претвориться, что мы живём в двумерном мире, пойманные на листочке бумаги. Это значит, что мы можем двигаться только в двух направлениях. Если этот листочек, на котором мы живём, лежит ровно, мы можем сказать, что наше пространство плоское.

Но если по какой-то причине он изогнут, мы говорим, что пространство изогнуто.

И бумага может быть изогнутой двумя способами. Она может быть выгнутой в одном направлении (положительная кривизна), или в разных, как седло или чипсы Принглз (это будет отрицательная кривизна, или нарушение диеты).

И вот, что здорово: если мы обнаружим, что пространство везде плоское, это будет означать, что лист бумаги (пространство) может продолжаться вечно. Но если мы обнаружим, что у пространства кривизна положительная, то существует только одна форма, у которой повсюду сохраняется положительная кривизна: сфера. Или, технически говоря, сфероид (к примеру, картошка). Это один способ, которым наша Вселенная может замыкаться на себя. Мы все можем жить в трёхмерном эквиваленте картошки, что означает, что вне зависимости от выбранного направления движения, в итоге вы вернётесь обратно.

В этом случае оказывается, что ответ на подобный вопрос у нас есть – пространство, судя по всему, «достаточно плоское», то есть, плоское с погрешностью в 0,4%. Учёные через два очень разных метода подсчитали, что кривизна пространства (по крайней мере, того, что мы видим), практически нулевая.

Какие это способы? Один из них – измерение треугольников. У кривизны есть интересное свойство – треугольники в искривлённом пространстве не подчиняются тем же правилам, что треугольники в плоском пространстве. Вернёмся к нашей аналогии с листом бумаги. Треугольник, нарисованный на плоском листе, будет отличаться от треугольника, нарисованного на искривлённой поверхности.

Учёные провели эксперимент, эквивалентный измерению треугольников в трёхмерном пространстве, изучив запечатлённое на изображении ранней Вселенной пространственное взаимоотношение разных её точек. Они обнаружили, что измеренные ими треугольники соответствуют плоскому пространству.

Другой способ, говорящий нам о том, что пространство плоское, заключается в изучении того, что и приводит к искривлению пространства: энергии во Вселенной. Согласно ОТО, во Вселенной есть определённое количество энергии (точнее, плотности энергии), заставляющее пространство искривляться в одном из направлений. Оказывается, что величина плотности энергии, которую мы можем измерить в нашей Вселенной, как раз соответствует тому, что пространство вообще не искривляется (с погрешностью в 0,4%).

Некоторые из вас могут быть разочарованы тем, что мы не живём в прикольном трёхмерном картофельном клубне, загибающемся на себя самого, если лететь в одном направлении. Конечно же, кто не мечтал нарезать круги по Вселенной на ракетном мотоцикле в стиле Ивел Книвела? Но вместо того, чтобы расстраиваться из-за скучной плоскости вселенной, вы могли бы заинтересоваться. Почему? Потому, что насколько нам известно, плоская сущность нашей Вселенной – это гигантское совпадение космических масштабов.

— По-моему, это плохая идея, вне зависимости от кривизны пространства
— Ну блииин…

Задумайтесь об этом. Вся масса и энергия Вселенной придаёт кривизну пространству (помните, что масса и энергия искажают пространство), и если бы у нас было хоть немногим больше массы и энергии, чем сейчас, пространство бы искривилось в одну сторону. А если бы у нас их было чуть меньше, то пространство искривилось бы в другую сторону. Но у нас, по-видимому, есть как раз столько энергии, чтобы пространство было идеально плоским. Точное количество материи, необходимое для отсутствия кривизны – пять атомов водорода на кубический метр пространства. Если бы у нас было 6 или 4 атома водорода, вся наша Вселенная была бы совсем другой (более искривлённой и интересной, но другой).

Дальше – страньше. Поскольку кривизна пространства влияет на движение материи, а материя влияет на кривизну пространства, существуют эффекты обратной связи. Если бы в ранние дни Вселенной материи оказалось бы хоть немногим больше или недостаточно, и мы не пришли бы к этой критической плотности материи, необходимой для того, чтобы пространство было плоским, то всё в результате отошло бы от плоского состояния ещё дальше. Для того, чтобы пространство было плоским сейчас, нужно, чтобы оно было чрезвычайно плоским в ранней Вселенной, или чтобы в плоском состоянии его удерживало что-то другое.

Это одна из величайших загадок пространства. Мы не только не знаем, что такое пространство, мы ещё и не знаем, почему оно такое, какое есть.

Форма пространства

Кривизна пространства – не единственная тема, по которой у нас есть вопросы, связанные с природой пространства. После того, как вы примете, что пространство – не бесконечная пустота, а возможно бесконечная физическая сущность, обладающая свойствами, у вас может появиться много странных вопросов по этому поводу. К примеру – каков размер и форма пространства?

Размер и форма пространства говорят нам о том, каков объём существующего пространства и как оно связано с самим собой. Вы можете решить, что поскольку пространство плоское, и не имеет форму картофелины или седла (или картофелины в седле), идея о размере и форме пространства не имеет смысла. Ведь если пространство плоское, это значит, что оно продолжается бесконечно, не так ли? Не обязательно!

Это однозначно не соответствует форме пространства

Пространство может быть плоским и бесконечным. Или оно может быть плоским и иметь край. Или, что более странно, оно может быть плоским и всё равно замыкаться на себя.

Как у пространства может быть край? В принципе, нет причин, запрещающих пространству иметь край, даже если оно плоское. К примеру, диск – плоская двумерная поверхность с гладким непрерывным краем. Возможно, у трёхмерного пространства тоже есть граница из-за странных геометрических свойств у неё на краю.

Ещё более интересна возможность того, что пространство может быть плоским и всё равно замыкаться на себя. Это будет похоже на одну из тех видеоигр типа Asteroids или Pac-Man, где вы, заходя за край экрана, просто появляетесь с другой стороны. Пространство может каким-то неизвестным нам образом соединяться с самим собой. К примеру, червоточины теоретически предсказаны ОТО. В червоточине две разных удалённых точки пространства могут быть соединены друг с другом. Что, если края пространства соединены друг с другом тем же образом? Мы этого не знаем.

Квантовое пространство

Наконец, можно спросить, состоит ли пространство из крохотных дискретных кусочков, вроде пикселей на теле экране, или оно бесконечно гладкое, такое, что между двумя точками существует бесконечно много положений, в которых можно оказаться?

Древние учёные могли не представлять, что воздух состоит из крохотных дискретных молекул. Воздух кажется непрерывным. Он заполняет любой объём и обладает интересными динамическими свойствами (ветер и погода). Но мы знаем, что всё, что нам нравится у воздуха (как он нежно прикасается к щеке в виде прохладного летнего бриза или как он не даёт нам задохнуться), на самом деле получается благодаря комбинированному поведению миллиардов отдельных молекул и не является свойством самих молекул.

Вариант с гладким пространством кажется нам более осмысленным. Ведь нам кажется, что мы двигаемся в пространстве гладко и непрерывно. Мы не прыгаем от пикселя к пикселю, дёргаясь, как персонаж видеоигры, движущийся по экрану.

Или прыгаем?

— Беги! Это круговая диаграмма!

С учётом нашего сегодняшнего понимания Вселенной было бы более удивительно, если бы пространство оказалось бесконечно гладким. Ведь мы знаем, что всё остальное квантуется. Материя квантуется, энергия квантуется, взаимодействия квантуются, печеньки девочек-скаутов квантуются. Более того, квантовая физика предполагает существование минимальной осмысленной длины, 10^-35 м. Так что с точки зрения квантовой механики было бы естественно, если бы пространство квантовалось. Но мы не знаем.

Но то, что мы этого не знаем, не остановило физиков от безумных предположений! Если пространство квантуется, это значит, что при движении мы на самом деле перепрыгиваем из одного небольшого места в другое. С этой точки зрения, пространство – это сеть соединённых узлов, типа как станции метро. Каждый узел – это местоположение, а соединения между ними представляют взаимоотношения между местоположениями (какое из них находится рядом с каким). Это отличается от идеи, согласно которой пространство – просто взаимоотношение между частями материи, поскольку эти узлы могут быть пустыми и существовать всё равно.

Что интересно, этим узлам не обязательно находиться внутри большого пространства или структуры. Они могут просто существовать. В этом случае то, что мы называем пространством, будет всего лишь набором взаимоотношений между узлами, а все частицы Вселенной будут всего лишь свойствами этого пространства, а не элементами, находящимися в нём. К примеру, они могут быть режимами вибрации этих узлов.

Это не так сильно притянуто за уши, как кажется. Современная теория частиц основана на квантовых полях, заполняющих всё пространство. Поле означает, что существует число, или значение, связанное с каждой точкой пространства. С этой точки зрения частицы – всего лишь возбуждённые состояния этих полей. Так что мы находимся недалеко от такой теории.

Кстати, физики обожают такие идеи, когда нечто, кажущееся нам фундаментальным (например, пространство), происходит из чего-то более глубокого. Это даёт им ощущение заглядывания за занавес и открытия более глубокого уровня реальности. Некоторые даже подозревают, что взаимосвязь узлов пространства формируется при помощи запутанности частиц, но это математические фантазии кучки теоретиков, перепивших кофе.

Загадки пространства

Если вы дочитали до этого момента и либо всё поняли, либо отключили вашу тревогу бессмыслицы, чтобы она вас не отвлекала, то мы можем без колебаний исследовать самую безумную теорию пространства (ага, ещё безумнее).

Если пространство суть физический объект, а не задник и не конструкция, и обладает такими динамическими свойствами, как искажения и волны, и возможно создано из квантовых кусочков, тогда стоит подумать: а что ещё пространство может делать?

Возможно, у него, как у воздуха, существуют различные состояния и фазы. Возможно, что в экстремальных условиях оно может структурироваться весьма неожиданным образом или проявлять неожиданные свойства, так же, как воздух ведёт себя по-разному, в зависимости от того, находится он в жидкой, газообразной или твёрдой форме. Возможно, известное нам пространство, которое мы с удовольствием занимаем, это всего лишь один редкий тип пространств, и во Вселенной существуют другие типы пространств, которые только и ждут, чтобы мы поняли, как их создать и работать с ними.

Самый интересный инструмент, который может пригодиться нам в поисках ответа на этот вопрос – это то, что пространство искажается массой и энергией. Чтобы понять, что такое пространство и на что оно способно, лучше всего будет тщательно изучить его экстремальные состояния, там, где огромные массы сжимают и растягивают его: чёрные дыры. Если бы могли изучать окрестность чёрных дыр, мы могли бы увидеть пространство, нарезанное и покромсанное так, что наша тревога бессмыслицы просто взорвётся.

И что самое интересное, мы уже вплотную приблизились к возможности зондировать экстремальные деформации пространства. Поскольку, если раньше мы были глухи к ряби гравитационных волн, движущихся сквозь Вселенную, теперь у нас появилась возможность прислушиваться к космическим событиям, потрясающим и возмущающим желе пространства. Возможно, в недалёком будущем мы будем больше понимать точную природу пространства и ответим на эти глубокие вопросы, буквально окружающие нас со всех сторон.

Так что, не впадайте в прострацию, и оставьте в своём мозгу пространство для ответов.

— У нас ещё есть место для одной шутки о пространстве.
— Неу-желе? Не, с меня хватит.

Отрывок из книги «We Have No Idea: A Guide to the Unknown Universe» [Мы понятия не имеем: руководство по неизвестной Вселенной].

Автор рисунков – Джордж Чэм, создатель популярных онлайн-комиксов Piled Higher and Deeper, кандидат наук в робототехнике.

Автор текста – Дэниел Уайтсон, профессор экспериментальной физики в Калифорнийском университете в Ирвине, член Американского физического общества. Он проводит исследования на Большом адронном коллайдере.

habr.com

что такое пространство-время? / Habr

Все слышали о вещах, связанных с пониманием устройства Вселенной: кот Шрёдингера, парадокс близнецов, E = mc². Но, несмотря на 100 лет своего существования, общая теория относительности – величайшее достижение Эйнштейна – остаётся загадочной для всех, от обычных людей до студентов и аспирантов, изучающих физику. На этой неделе наш читатель хочет прояснить этот вопрос:

Не могли бы вы как-нибудь написать рассказ с пояснением для обычного человека по поводу метрики, используемой в ОТО?

Перед тем, как добраться до «метрики», начнём с самого начала, и обсудим наши концепции, связанные с Вселенной.


У квантов, будь это волны, частицы, или нечто среднее, есть определяющие их свойства. Но им требуется сцена, на которой они взаимодействуют и рассказывают историю Вселенной

На фундаментальном уровне Вселенная состоит из квантов – сущностей с физическими свойствами вроде массы, заряда, импульса, и т.п. – способных взаимодействовать друг с другом. Квант может быть частицей, волной, или чем-то в промежуточном состоянии, в зависимости от того, как его рассматривать. Два и более кванта могут связываться вместе, образовывая такие сложные структуры, как протоны, атомы, молекулы, и даже людей. Возможно, квантовая физика ещё молодая наука, основанная по большей части в XX веке, но идея о том, что Вселенная состоит из невидимых сущностей, взаимодействующих друг с другом, родилась ещё 2000 лет назад, не позднее Демокрита Абдерского.

Но, вне зависимости от того, из чего сделана Вселенная, её составляющим необходима сцена, на которой они могут двигаться, чтобы взаимодействовать.

Закон всемирного тяготения Ньютона был замещён общей теории относительности Эйнштейна, и основывался на концепции мгновенного взаимодействия на расстоянии.

Во вселенной Ньютона сцена была плоским, пустым, абсолютным пространством. Пространство было фиксированным, напоминавшим декартову решётку – трёхмерной структурой с осями x, y и z. Время всегда шло с определённой скоростью и тоже было абсолютным. Для любого наблюдателя, частицы, волны, кванта, пространство и время повсюду воспринималось одинаково. Но к концу XIX века было ясно, что у концепции Ньютона есть недостатки. Частицы, двигающиеся почти со скоростью света, ощущали время (оно замедлялось), и пространство (оно сокращалось) по-другому по сравнению с частицей, которая медленно или вообще не двигалась. Энергия и импульс частицы внезапно стали зависеть от системы отсчёта, из чего следовало, что пространство и время не были абсолютными – то, как вы воспринимаете Вселенную, зависит от того, как вы двигаетесь.

Световые часы работают с разными скоростями для разных наблюдателей, движущихся друг относительно друга, из-за постоянства скорости света.

Отсюда вышла и специальная теория относительности: некоторые вещи были инвариантными, например, масса покоя частицы или скорость света, а другие преобразовываются в зависимости от того, как вы двигаетесь сквозь пространство и время. В 1907 году бывший профессор Эйнштейна, Герман Минковский, совершил гениальный прорыв: он показал, что пространство и время можно выразить одной формулой. Одним махом он разработал формализм пространства-времени. Это дало частицам сцену, по которой можно двигаться через Вселенную и взаимодействовать друг с другом. Но туда не входила гравитация. Разработанная им сцена – по сию пору известная, как пространство Минковского – описывает всю СТО, и даёт основу для большей части квантовых расчётов, которые мы проводим.

Обычно расчёты квантовой теории поля проводятся в плоском пространстве, но ОТО идёт дальше и вводит искривлённое пространство. Там такие расчёты оказываются гораздо более сложными

Если бы гравитации не существовало, пространство-время Минковского давало бы нам всё, что нужно. Пространство-время было бы простым, неискривлённым, и просто давало бы материи сцену для того, чтобы двигаться и взаимодействовать. Ускоряться можно было бы только посредством взаимодействия с другой частицей. Но в нашей Вселенной присутствует сила гравитации, и именно принцип эквивалентности Эйнштейна рассказал нам о том, что если вы не знаете, что вас ускоряет, то гравитация действует на вас так же, как любое другое ускорение.

Одинаковое поведение падающего на пол мяча в ускоряющейся ракете и на Земле – демонстрация принципа эквивалентности Эйнштейна

Именно это откровение и его математическая связь с пространством-временем Минковского привела к появлению ОТО. Основное отличие между пространством Минковского в СТО и искривлённым пространством, появляющимся в ОТО – математический формализм, известный, как метрический тензор. Иногда его называют метрическим тензором Эйнштейна или римановой метрикой. Риман был математиком XIX века (бывший студент Гаусса – возможно, величайшего математика), и он построил формализм, описывающий существование полей, линий, арок, расстояний в произвольно искривлённом пространстве любой размерности. У Эйнштейна (и его помощников) почти десять лет ушло на то, чтобы справиться со сложностями математики – но они всё сделали, и у нас появилась ОТО. Эта теория описывает нашу Вселенную с тремя пространственными и одним временным измерением, в которой существует гравитация.

Искривление пространства-времени гравитационными массами

Метрический тензор определяет искривление пространства-времени. Его кривизна зависит от материи, энергии и имеющимися у них напряжениями. Содержимое Вселенной определяет её кривизну пространства-времени. Справедливо и то, что искривлённость Вселенной определяет, как сквозь неё будут двигаться материя и энергия. Нам нравится считать, что движущийся объект будет продолжать движение – первый закон Ньютона. Мы представляем себе это как прямую линию, но искривлённое пространство говорит нам о том, что вместо неё объект движется по геодезической кривой – определённым образом искривлённой линии, соответствующей неускоренному движению. Ирония в том, что эта кривая не обязательно прямая, которая является кратчайшим путём между двумя точками. Даже на космических масштабах видно, как проявляется искривление пространства-времени в присутствии экстраординарных масс, способных искривлять свет, идущий из-за них, что иногда может приводить к размножению изображений.

Иллюстрация гравитационного линзирования и искривления массой звёздного света

Множество различных аспектов физики делают вклад в метрический тензор в ОТО. Мы представляем себе гравитацию, как результат влияния масс: расположение и величина разных масс определяет гравитационное взаимодействие. В ОТО это соответствует плотности массы, и действительно вносит свой вклад – но только как один из 16 компонентов метрического тензора! В нём есть компоненты, связанные с давлением (давление излучение, давление вакуума, давления, создаваемые быстро движущимися частицами), и ещё три дополнительных аспекта (по одному на каждое пространственное измерение), делающие свой вклад. И, наконец, есть ещё шесть компонентов, говорящих о том, как объёмы меняются и деформируются в присутствии масс и приливных сил, а также о том, как искривляют эти силы форму движущегося тела. Это относится ко всему, от планет типа Земли и нейтронных звёзд до безмассовых волн, движущихся в пространстве – гравитационного излучения.

Все массы движутся в пространстве-времени друг относительно друга, и излучают гравитационные волны – рябь самого пространства-времени

Вы могли заметить, что 1 + 3 + 6 ≠ 16, а 10; а вы наблюдательный! Метрический тензор, пусть и сущность размерности 4 х 4, но он симметричен, то есть, у него есть четыре диагональных компонента (плотность и давление) и шесть независимых компонентов, стоящих не на диагонали (компоненты объёма и деформации). Шесть остальных не лежащих на диагонали компонентов уникальным образом определяются симметрией. Метрика говорит о взаимосвязи между материей и энергией Вселенной и кривизной пространства-времени. Уникальные возможности ОТО говорят о том, что если вы знаете, где во Вселенной находятся вся материя и энергия и что они делают, вы можете определить всю эволюционную историю Вселенной – прошлую, настоящую и будущую.

Четыре вероятных судьбы Вселенной. Самый нижний вариант лучше всего соответствует данным: Вселенная с тёмной энергией

Именно так и началась область, в которой я работаю, космология, подразделение теоретической физики! Открытие расширяющейся Вселенной, её появление из Большого взрыва и доминирование тёмной энергии, которое приведёт к её холодной и пустой судьбе – всё это можно понять только в контексте общей теории относительности, а это значит, к пониманию ключевого взаимодействия между материей/энергией и пространством-временем. Вселенная – это пьеса, разворачивающаяся при каждом взаимодействии одной частицы с другой, а пространство-время – это сцена, на которой эта пьеса идёт. Нужно помнить только одну ключевую контринтуитивную вещь – сцена не является неизменной для всех, но и сама эволюционирует вместе со Вселенной.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

habr.com

Что такое пространственно-временной континуум 🚩 пространственно-временной континуум эйнштейна 🚩 Математика

Пространственно-временной континуум, или чаще употребляемый в «неофициальной» обстановке термин пространство-время – это физическая модель, описывающая понятие о среде, в которой пребывают все объекты изучаемого физикой мира. Это теоретическая конструкция, которая не является исчерпывающим описанием действительности, но, по возможности, приближается к ней наиболее полно. В настоящее время общепринятой теорией пространственно-временного континуума является описание Эйнштейна, оно обусловлено теорией относительности. Как говорил сам Альберт Эйнштейн, наиболее правильное описание пространства-времени должно быть «так просто, как возможно, но не проще этого». Современная теория пространства-времени имеет 4 измерения, 3 из которых пространственные и одно временное. При этом три координаты пространства и одна времени равноправны, и только от наблюдателя зависит, какая из них будет принята за систему отсчета. То есть, они взаимозаменяемы. Пространство-время имеет динамическую природу, а инструмент, с помощью которого измерения взаимодействуют с физическими телами и объектами – это гравитация. Согласно положениям современной физики, пространственно-временной континуум – это непрерывное многообразие, оно не плоское, но может изменять кривизну динамически, в зависимости от условий. Для многих шокирующим фактом является то, что время ставится в этой теории наравне с остальными координатами. Причина этого в том, что теория относительности основывается на том, что время зависит от скорости наблюдателя, который находится в точке отсчета. Время вовсе не является независимым от измерений пространства, оно неотделимо от них. Наиболее привычной системой является четырехмерное пространство-время, оно оказывается достаточным для решения многих задач. Но в теориях описания Вселенной измерений гораздо больше. Например, бозонный вариант теории суперструн (наиболее старый из ее вариантов) требовал наличия 27 измерений. Сегодня эта теория усовершенствована, количество измерений сведено к 10. Ученые надеются, что удастся компактифицировать теорию до наблюдаемых 4 измерений. Возможно, что остальные дополнительные измерения просто свернуты и имеют панковские размеры. Но в этом случае они все же должны как-то проявляться. Этот вопрос активно изучается физиками в настоящее время.

www.kakprosto.ru