ФЭНДОМ


Философия познания Править


О понимании пространства и времени с точки зрения субъекта, биологического организма писал Иммунуил Кант.


Физические представления Править

Общая теория относительности
$ G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8\pi G\over c^4} T_{\mu \nu}\, $
Математическая формулировка ОТО
Космология

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), способные переходить друг в друга при смене наблюдателем системы отсчета.

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 есть теория пространства-времени (полагаемого в ней не плоским, а способным динамически менять свою кривизну).

Пространство-время непрерывно и с математической точки зрения представляет собой многообразие, которое обычно наделяют лоренцевой метрикой.

Современные представления Править

Концепцию пространства-времени допускает и классическая механика[2], 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.) также оказываются таким образом уже в классической электродинамике зависящими от системы отсчета (или, иначе говоря, от относительного движения наблюдателя и объекта наблюдения), то есть оказываются не «абсолютными», а определенным образом связаны с пространственным движением и даже положением в пространстве, 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 псевдоевклидовой метрикой соответствующей сигнатуры) от обычного (евклидова) 4-мерного пространства является то, что при вычислении расстояния значения времени и длин пространственных координат берутся с противоположным знаком (в обычном пространстве соответствующие значения равноправны для любой оси координат и имеют одинаковый знак).

В контексте теории относительности время неотделимо от трех пространственных измерений и зависит от скорости наблюдателя[3] (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 (или есть надежда, что так) быть компактифицированы сперва до 10, сводясь таким образом к теории суперструн, а потом уже, как упомянуто здесь чуть выше, до 4 обычных измерений.

Первый развёрнутый вариант модели естественного объединения пространства и времени, пространство Минковского, был создан Германом Минковским в 1908 году[4] 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.


Примечания Править

  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. Работы В. И. Арнольда, в частности, «Математические методы классической механики».
  3. Притом, что формально переход к движущейся системе отсчета аналогичен повороту осей в пространстве Минковского (и это дает простой и компактный способ пересчета реальных физических величин, т.е. 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 ограничение аналогии пространства-времени с обычным евклидовым пространством, хотя бы и четырехмерным, т.е. описываемое в этом примечании - это еще одна сторона качественного отличия пространства-время теории относительности от "просто" четырехмерного 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).
  4. 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).

См. также Править

Ссылки Править