Розвиток уявлень про простір і час у XX столітті

Наприкінці XIX — початку XX століття відбулися глибокі зміни в наукових уявленнях про матерію і, відповідно, радикальна зміна понять простору й часу. Фізичну картину світу доповнила концепція поля як форми матеріального зв'язку між частинками речовини, як особливої форми матерії. Усі тіла, таким чином, являють собою систему заряджених частинок, пов'язаних полем, що передає дії від одних частинок до інших з кінцевою швидкістю — швидкістю світла. Припускали, що поле — це стан ефіру, абсолютно нерухомого середовища, що заповнює світовий абсолютний простір. Пізніше було встановлено (X. Лоренц та ін.), що коли рух тіл відбувається з дуже великими швидкостями, близькими до швидкості світла, то поле змінюється, що призводить до зміни просторових і часових властивостей тіл; при цьому Лоренц вважав, що довжина тіл у напрямку їхнього руху скорочується, а ритм фізичних процесів, що відбуваються в них, сповільнюється, причому просторові й часові величини змінюються узгоджено.

Спочатку здавалося, що таким шляхом можна буде визначити абсолютну швидкість тіла щодо ефіру, а отже, стосовно абсолютного простору. Однак уся сукупність дослідів спростувала цей погляд (більш детально це питання буде обговорюватися в розділі "Теорія відносності"). Було встановлено, що в будь-якій інерційній системі відліку всі фізичні закони, включаючи закони електромагнітних (і взагалі польових) взаємодій, однакові. Спеціальна теорія відносності А. Ейнштейна, заснована на двох фундаментальних положеннях, — про граничну швидкість світла й рівноправність інерційних систем відліку, стала новою фізичною теорією простору й часу. З неї випливає, що просторові й часові відносини — довжина тіл (узагалі відстань між двома матеріальними точками) і тривалість (а також ритм) процесів, що відбуваються в ньому, є не абсолютними величинами, як стверджувала механіка Ньютона, а відносними. Частинка (наприклад, нуклон) може виявляти себе стосовно частинки, яка повільно рухається щодо неї, як сферична, а щодо частинки, яка налітає на неї з дуже великою швидкістю, — як сплющений у напрямку руху диск. Відповідно, тривалість існування зарядженого тс-мезона, який повільно рухається, становить " 10~3 с, а того, який рухається з величезною швидкістю (близькою до швидкості світла), — у багато разів більша. Відносність просторово-часових характеристик тіл повністю підтверджується за допомогою дослідів. Звідси випливає, що уявлення про абсолютність простору й часу є хибними. Простір і час є загальними формами координації матеріальних явищ, а не самостійними началами буття, незалежними від матерії. Теорія відносності спростовує уявлення про порожні простір і час, які мають власні виміри. Уявлення про порожній простір було відкинуто пізніше й у квантовій теорії поля з його новим поняттям вакууму.

Подальший розвиток теорії відносності (загальної теорії відносності А. Ейнштейна) показав, що просторово-часові відносини залежать також від концентрації мас. При переході до космічних масштабів геометрія простору-часу не є евклідовою (або "плоскою", тобто незалежною від величини простору-часу, а змінюється від однієї частини космосу до іншої залежно від щільності мас у цих місцях і їх руху). У масштабах Метагалактики геометрія простору змінюється з часом унаслідок розширення Метагалактики. Таким чином, розвиток фізики й астрономії підтвердив неспроможність як апріоризму Канта, тобто розуміння простору й часу як апріорних форм людського сприйняття, природа яких незмінна й незалежна від матерії, так і ньютонівської догматичної концепції простору й часу.

Зв'язок простору й часу з матерією виражається не тільки в залежності законів простору й часу від загальних закономірностей, які визначають взаємодію матеріальних об'єктів. Він виявляється також в наявності характерного ритму існування матеріальних об'єктів і процесів — типових для кожного класу об'єктів середніх тривалостей життя й середніх просторових розмірів.

З викладеного випливає, що простору й часу властиві дуже загальні фізичні закономірності, що стосуються всіх об'єктів і процесів. Це має стосунок і до проблем, пов'язаних з топологічними властивостями простору й часу. Проблема межі (зіткнення) окремих об'єктів і процесів безпосередньо пов'язана з питаннями, які привертали увагу ще в давнину. Йдеться про скінченну або нескінченну подільність простору й часу, їх дискретність або неперервність. В античній філософії це питання вирішувалося лише умовивідно. Висловлювалися, наприклад, припущення про існування "атомів" часу (Зенон). У науці XVII-XIX століть ідея атомізму простору й часу втратила будь-яке значення. Ньютон вважав, що простір і час реально розчленовані до нескінченності. Цей висновок випливав з його концепції порожніх простору й часу, найменшими елементами яких є геометрична точка й момент часу ("миттєвості" в буквальному значенні слова). Лейбніц вважав, що хоч простір і час подільні до безмежності, але реально не розчленовані на точки — у природі немає об'єктів і явищ, позбавлених розмірів і тривалості. З уявлення про необмежену подільність простору й часу не випливає, що і границі тіл та явищ є абсолютними. Уявлення про неперервність простору й часу ще більше зміцніло в XIX столітті з відкриттям поля: у класичному розумінні поле є абсолютно неперервний об'єкт.

Проблема реальної подільності простору й часу постала у XX столітті у зв'язку з відкриттям у квантовій механіці співвідношення невизначеностей (більш докладно це питання розглядається в розділі "Квантова механіка"). Відповідно до співвідношення невизначеностей для абсолютно точної локалізації мікрочастинки необхідні нескінченно великі імпульси, що у фізичному аспекті є нездійсненним завданням. Більше того, сучасна фізика елементарних частинок свідчить, що при дуже сильних впливах на частинку вона не зберігається взагалі, відбувається навіть множинне народження частинок. Насправді не існує реальних фізичних умов, за яких можна було 6 виміряти точне значення напруженості поля в кожній точці. Таким чином, сучасна фізика встановила, що неможливо не тільки реально здійснити поділ простору й часу на точки, але й принципово неможливо здійснити процес реального нескінченного їх поділу. Отже, геометричні поняття точки, кривої, поверхні є абстракціями, що відображають просторові властивості матеріальних об'єктів лише приблизно. Насправді об'єкти відділені один від одного не абсолютно, а лише відносно. Справедливо це і стосовно моментів часу. Саме такий погляд на "точковість" подій випливає з так званої теорії нелокального поля. Одночасно з ідеєю нелокальності взаємодії розробляється гіпотеза про квантування простору й часу, тобто про існування найменших довжин і тривалостей. Спочатку припускали, що "квант" довжини — 10"15 м (порядку класичного радіуса електрона або порядку "довжини" сильної взаємодії). Однак за допомогою сучасних прискорювачів заряджених частинок досліджуються явища, які мають довжини 10~,б-10~17 м; тому значення кванта довжини почало зміщуватися до все менших значень (10~19 і навіть 10"35 м).

Вирішення питання про квантування простору й часу тісно пов'язане з проблемами структури елементарних частинок. З'явилися дослідження, які взагалі заперечують застосовність до субмікроскопічного світу понять простору й часу. Однак поняття простору й часу не повинні зводитися ні до метричних, ні до топологічних відносин відомих типів.

Тісний взаємозв'язок просторово-часових властивостей у природі взаємодії об'єктів виявляється також і при аналізі симетрії простору й часу. Ще в 1917 році Е. Нетер довела, що однорідності простору відповідає закон збереження імпульсу, однорідності часу — закон збереження енергії, ізотропності простору — закон збереження моменту кількості руху. Таким чином, типи симетрії простору й часу як загальні форми координації об'єктів і процесів взаємопов'язані з найважливішими законами збереження. Симетрія простору при дзеркальному відображенні виявилася залежною від істотної характеристики мікрочастинок їх парності.

Однією з найважливіших проблем простору й часу є питання про спрямованість перебігу часу. У ньютонівській концепції ця властивість часу вважалося зрозумілою сама собою і не потребувала обґрунтування. У Лейбніца незворотність перебігу часу пов'язувалася з однозначною спрямованістю ланцюга причин і наслідків. Сучасна фізика конкретизувала й розвинула це обґрунтування, пов'язавши його із сучасним розумінням причинності. Очевидно, спрямованість часу пов'язана із такою інтегральною характеристикою матеріальних процесів, як розвиток, що є принципово незворотним.

Серед проблем простору й часу, які привертали увагу ще в давнину, — питання про кількість вимірів простору й часу. У ньютонівській концепції ця кількість вважалася споконвічно незмінною. Однак ще Арістотель обґрунтував тривимірність простору в залежності від кількості можливих перетинів (поділів) тіла. Інтерес до цієї проблеми зріс у XX столітті з розвитком топології. Л. Бауер установив, що вимірність простору є топологічним інваріантом — числом, що не змінюється за умови неперервних і взаємно однозначних перетворень простору. У ряді досліджень було встановлено зв'язок між кількістю вимірів простору і структурою електромагнітного поля, між тривимірністю простору й спіральністю елементарних частинок. Усе це підтвердило, що кількість вимірів простору й часу нерозривно пов'язана з матеріальною структурою навколишнього світу.