Представления о пространстве и времени

Натурфилософы античности заложили основы двух подходов к пониманию пространства и времени (п. 2.2.1) — субстанциального (пространство-пустота и время-длительность обладают собственным, не зависящим от материи бытием) и реляционного (пространство и время — всего лишь система отношений между материальными телами)

В механической картине мира господствует субстанциальное понимание пространства и времени. Абсолютное пространство и Абсолютное время Ньютона бесконечны, однородны, находятся вне материальных тел и не зависят от них.

Однако эти представления и следствия из них (классический закон сложения скоростей) входят в противоречие с теоретическими соображениями (неинвариантность уравнений электродинамики относительно преобразований Галилея) и экспериментальными данными (опыт Майкельсона-Мор­ли). Поэтому электромагнитная картина мира становится внутренне согласованной лишь после создания Эйнштейном специальной теории относительности (СТО) — новой системы физических представлений о свойствах пространства и времени. В СТО пространство и время рассматриваются в рамках реляционного подхода, как система отношений между материальными телами. Отсюда вытекает относительность одновременности, пространственных и временных промежутков. Непротиворечивость причинно-след­ст­вен­ных связей в нашем мире обеспечивается невозможностью перемещения со сверхсветовыми скоростями. Пространство и время оказываются симметричными сторонами единого пространственно-вре­мен­ного континуума. Отсюда вытекают естественные связи между энергией и импульсом, массой и энергией, электрическим и магнитным полями.

Дальнейшее углубление научных представлений о пространстве-вре­мени связано с развитием общей теории относительности (ОТО), которое шло хронологически параллельно становлению неклассической картины мира, до поры до времени не будучи слишком тесно связанной с ней.

В ОТО устанавливается физическая эквивалентность материального объекта — гравитационного поля — определенным геометрическим свойствам пространства-времени. Таким образом, размывается грань между реляционным и субстанциальным подходами. Связь между материей и пространством-временем оказалась более тесной и взаимной, чем обычная связь между объектом и его свойствами. Сам факт присутствия и движения материальных тел искривляет пространство и изменяет темп течения времени; обратно, искривление пространства-времени определяет характер движения тел. Возникает идея, что не только гравитация, но и другие фундаментальные взаимодействия сводятся к геометрическим свойствам пространства-вре­мени (программа геометризации физики); для ее реализации вводятся в рассмотрение модели дополнительных пространственных измерений (теория Калуцы-Клейна пятимерного пространства-вре­ме­ни, ее усовершенствование Эйнштейном, дальнейшие современные разработки). Исследование геометрии пространства-времени становится основой научной космологии.

В постнеклассической картине мира тенденция к признанию пространства-времени полноправным, активным, сложно устроенным структурным элементом Вселенной получила дальнейшее развитие, в особенности благодаря пониманию вакуума как особой формы материи. В физических статьях последних лет уже без кавычек употребляется термин «энергия пространства», под которой понимается энергия физического вакуума, описываемая L-членом в уравнениях Эйнштейна (п. 5.1). Общепризнанным становится положение о том, что в ультрамикроскопических масштабах (10^{-35 м, 10-43} с) квантовые флуктуации вакуума делают непригодными обычные понятия «до—после», «ближе—даль­ше», «точка пространства», «момент времени»; образное представление о пространственно-временной ткани в этих масштабах дает распространенное выражение «квантовая пена». Рассматриваются модели возникновения Вселенной в результате квантовых флуктуаций пространства-времени.