Пространство, материя и время

Автори: Любонько Андрей

Пространство, материя и времяНаши тела состоят из материи, также как и окружающий нас мир. Мы движемся в пространстве, и наше становление происходит во времени. Материя, пространство и время - это основопологающие категории нашего представления о внешнем мире.

Более того, нам трудно (если вообще возможно) вообразить, что нет времени или, например, представить четырёхмерное пространство, или же материю, отличную от тех, которые мы когда-либо видели. То есть наше мышление ограничено теми видами материи, пространства и времени, в пределах которых мы живем. Но что интереснее, наши знания, основывающиеся на обыденном опыте (из восприятия органов чувств), об этих категориях неполны. Следовательно, наши представления о мире тоже частичны. Увидеть то, что не доступно глазам, помогает во многом наука, в частности физика. К некоторым достижениям в этой сфере мы и обратимся в нашей статье. Возможно, эти знания и наше воображение углубят и обогатят наше понимание мира и себя, и мы будем видеть яснее. 

Пространство

С идеей пространства связано представление о некой “сцене”, на которой все происходит. Все находится в пространстве, невозможно мыслить объекты вне некоего пространства (поэтому говорят, что пространство всеобъемлюющее). Пространство не имеет характеристик, которые мы приписываем объектам (цвет, вкус, вес, …), оно нейтрально. Но пространство позволяет этим характеристикам проявиться и определяет их. Будь пространство иным, объекты и события в этом пространстве были бы другими, в этом смысле пространство определяет свойства объектов. 

Интересный результат исследований современной физики, а именно квантовой теории поля, заключается в том, что нет пустого пространства. Как это выразил лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек 

Самый важный урок из КТП (Квантовой теории поля) для философии природы можно сформулировать так: то, что мы воспринимаем как пустое пространтсво на самом деле есть активная среда, формирующая мир.  [1]

Это почти буквально повторяет древнюю максиму  “Природа не терпит пустоты”.

Обыденный опыт говорит нам, что события происходят, объекты меняются, но “сцена”-пространство одно и то же. На том же настаивала классическая физика, где пространство считалось абсолютным и неизменным. Но современная физика (в первую очередь теория относительности и экспериментальные данные) утверждает, что  пространство динамично - не просто тела движутся в пространстве, само пространство находится в непрекращающемся движении, оно постоянно расширяется. Это говорит о том, что каждое мгновение мы живем в новом, изменившемся пространстве. 

Материя 

Пространство, материя и времяВ пространстве находятся объекты с разными характеристиками (размер, вес, цвет,..) в самых различных состояниях . Древние философы говорили, и современная наука подтвреждает, что за мириадами различных проявлений есть “материал”,  из которого формируются всевозможные объекты. Этот “строительный материал” объектов принято называть материей . В западной философской литературе словом материя обычно обозначают все телесное и вещественное, то, что воспринимается органами чувств. Современное научное представление о материи шире - оно включает в себя еще нечто, что нельзя воспринять обычными органами чувств, но можно измерить с помощью специальных приборов (например, физические поля или определенные элементарные частицы). 

Когда мы смотрим на окружающие нас предметы, естественно возникает ряд вопросов о природе того “материала”, из которого эти предметы сделаны, собственно, о природе материи. Имеет ли материя предел деления? Является ли материя единой или есть большое количество “элементарных” материй? Что есть материя?

Что касается вопроса о пределе деления материи, в современной физике, существует так называемая “атомная гипотеза”. Хотя то что мы сегодня называем атомами не есть подлинный ἄτομον (в смысле неделимой частицы), согласно современным представлениям, существует ограниченное количество элементарных (то есть неделимых) частиц. Важность “атомной гипотезы” для современной науки трудно переоценить, можно процитировать слова известного физика Ричарда Фейнмана:

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными, и к грядущим поколениям перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза: все тела состоят из атомов - маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольших расстояниях, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения. [2]

Обращаясь к вопросу единства материи можно сказать, что частично мы на него ответили – нет бесконечного числа видов “материй”, есть базовые элементарные частицы. Можно добавить, что в современной теоретической физике есть стремление к объединению – к картине мира, при которой все известные элементарные частицы есть не что иное как разные проявления одной сущности. Сегодня такие теории находятся в процессе становления, и последнее слово еще не сказано. 

Что же такое материя на фундаментальном уровне, какова природа элементарных частиц? Это мелкие крупинки чего-то твердого и непроницаемого или же это что-то другое? Из нашего повседневного опыта окружающие нас объекты выглядят в основном статично и стабильно. Кажется, что составные части этих объектов тоже должны обладать этими характеристиками. И если мы продолжим эту мысль до базовых, элементарных частиц, мы придем в нашем воображении к непроницаемым, твердым крупинками. Но исследования в области свойств материи, достигшие кульминации в начале ХХ века, когда была создана квантовая механика, рисуют совсем другую картину. Согласно квантовой механике, то, что на первый взгляд кажется твердым и непроницаемым, есть результат непрекращающегося движения. Это подобно тому, когда мы возьмем уголек с костра и во тьме начнем его быстро вращать по кругу. Если повторять это движение довольно быстро, то со стороны будет казатся, что перед нами огненый круг. Нечто похожее происходит и в обычном атоме (атом в современном значении этого слова, состоящий из электронов и ядра). Только 1% атома составляют электроны и ядро, 99% атома -  это пространство! Причина, по которой мы воспринимаем тела, состоящие из атомов, как твердые, состоит в том, что электроны в атоме движутся с невероятной скоростью (средняя скорость электрона в атоме - примерно 2000 км/с!). Более того, согласно квантовой механике, элементарные частицы нельзя мыслить как миниатюрные крупинки, это нечто более сложное, обладающее свойствами и частицы, и волны. 

Время 

Время определяется как величина, которая дает возможность упорядочить явления, идущие из прошлого через настоящее в будущее, а также как мера продолжительности явлений и интервалов между ними. Мы можем констатировать, что время определяется через настоящее, о прошлом и будущем можно говорить только сквозь призму настоящего. У времени есть направление, то, что принято называть “стрелой времени”. Это одно из характерных отличий времени от пространства – в пространстве мы можем двигаться вперед и назад, время же невозможно повернуть вспять, оно всегда движется только вперед. В то же время известно, что законы механики, электродинамики, квантовой механики обратимы во времени. Уравнения, описывающие эти законы, не изменяются при замене t на -t. Это является парадоксом – фундаментальные уравнения описывающее элементарные явления обратимы во времени, а макроскопическая Вселенная характеризуется необратимой временной эволюцией от прошлого к будущему, направленной в одну сторону для всех наблюдаемых подсистем Вселенной.

Со временем тесно связана идея движения. Если бы все было неподвижным, тогда невозможно было бы говорить о времени. Также движение интересно тем, что в нем тесно переплетаются пространство, объект и время. Когда мы говорим “что-то движется”, это предпологает, что есть пространство, где движение происходит, есть время, за которое это движение происходит, и есть собственно движущийся объект. 

Время, как феномен, остается одной из главных загадок для современной физики. Со временем связано много открытых вопросов в физике. Среди них: всегда ли справедлив принцип причинности (время непосредственно имеет отношение к причинно-следственной связи)? Является ли настоящий момент физически отличным от прошлого и будущего или же это просто производное явление сознания? Эти вопросы ждут своих ответов. 

Заключение 

Один из важнейших уроков, который мы можем вынести из современной физики, заключается в том, что вещи не совсем таковы, какими выглядят на первый взгляд.

Пространтсво, которое нам кажется “пустым” и “статичным”, согласно современным представлениям есть активная и динамичная среда. С одной стороны, пространство как целое находится в движении, о чем свидетельствует факт расширения Вселенной. С другой стороны, нет “пустого” пространства: если с помощью современных приборов “посмотреть” на то, что кажется “пустым” пространством, можно “увидеть”, что оно наполненно активностью. 

Материя, воспринимаемая нами как стабильная, твердая и реально существующая, в действительности есть непрекращающееся движение сущностей, которые нам сложно соотнести с нашим обычным опытом. 

Время, кажущееся простым и понятным, таит в себе множество неразрешимых загадок.

Литература

1.    Frank Wilczek “THE LIGHTNESS OF BEING: Mass, Ether and the Unification of Forces”,  Basic Books Publication, 2008
2.    Feynman, Richard P.; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew (2005). The Feynman Lectures on Physics. Volume I

______________

1 в обычных для нас обстоятельствах большинство предметов неподвижны, но есть те, которые находятся в движении; мы имеем дело с разными агрегатными состояниям - твердое, жидкое, газообразное, огненное

2 термин «материя» - латинская калька древнегреческого слова ὕλη (которое первоначально означало «лес», древесину как строительный материал; лат. materia - также первоначально «дубовая древесина, строевой лес»). В философию термин ὕλη впервые введен Аристотелем, латинский перевод «materia» - Цицероном.