Основные симметрии пространства и времени и их следствия

Как бы ни понимать пространство и время, они обладают рядом свойств симметрии. Это утверждение имеет статус эмпирического обобщения, то есть основано на результатах бесчисленных наблюдений и опытов.

Пространство однородно. Другими словами, все точки пространства эквивалентны, ни одна из них не выделена среди других. Перенос экспериментальной установки из одной точки пространства в другую сам по себе не отражается на результатах какого бы то ни было эксперимента. Однородность пространства, в частности, означает, что у Вселенной нет центра, так же как и окраин.

Время однородно. Все моменты времени равноправны. Благодаря этой симметрии эксперимент, повторенный сто лет спустя, дает те же результаты.

Согласно теореме Нётер, каждая симметрия влечет за собой сохранение определенной физической величины. Поскольку все мировые процессы, физические, химические и биологические, разворачиваются в пространстве и во времени, то законы сохранения, вытекающие из пространственно-временных симметрий (см. рисунок), имеют всеобщий характер.

Важнейший закон сохранения, который, как установлено в физике, вытекает из однородности времени, — закон сохранения энергии:

Существует физическая величина —энергия, которая, в силу однородности времени, в замкнутой системе не изменяется, что бы в системе ни происходило. Другими словами, энергия не может возникать ниоткуда и исчезать без следа.

Следует отметить неточность обыденных представлений об энергии как о некой субстанции, сообщающей активность материальным телам, но могущей существовать и без них. Такие представления поддерживаются и развиваются представителями псевдонауки, любящими поговорить о «ко­с­ми­че­с­кой энергии», движущей земными делами, об «энер­ге­ти­чес­ких (то есть бесплотных) двойниках» человека, «энер­ге­ти­чес­ких полях» и т.п. В действительности энергия есть обычная физическая величина, выражающая определенные свойства материальных объектов. Говоря проще, энергия — это всегда энергия чего-то.

Особенностью энергии как физической величины является то, что она имеет множество форм: кинетическая энергия, потенциальная энергия различных взаимодействий, тепловая, химическая и т.д. Для каждой формы энергии существуют свои способы измерения и вычисления ее количества. Так, кинетическая энергия вычисляется по формуле mv²/2, потенциальная энергия тела, поднятого над землей — mgh, энергия заряженного конденсатора — CU²/2, энергия связи атомного ядра — Dm×c², и так далее. Продукты питания можно рассматривать как носители химической энергии, и для каждого из них известна энергетическая ценность. Общим же для всех разнообразных форм энергии является то, что их сумма в замкнутой системе обязана оставаться постоянной, — и это обстоятельство вытекает из однородности времени!

Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса (другое название импульса — количество движения). Третий закон Ньютона — одно из следствий этого закона, так же как и принцип реактивного движения.

Изотропность пространства приводит к закону сохранения момента импульса — величины, характеризующей количество вращательного движения (п. 5.2). Именно благодаря этому закону Земля вращается с постоянной скоростью, один оборот за 24 часа, а направление земной оси практически не меняется с течением времени — уже несколько тысяч лет ее северный конец указывает примерно на Полярную звезду.