Свойства физического пространства и времени

Трехмерность - общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота). В одномерном или двумерном пространстве (линия, плоскость) не могли бы происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

Пространству на всех известных  структурных уровнях материи  присуще единство метрических и  топологических свойств. Метрические  свойства проявляются в протяженности  и характере связи элементов  тел. Метрика может быть различной - евклидовой и неевклидовой, причем возможно много разновидностей неевклидовых пространств с различными значениями кривизны.

Топологические свойства характеризуют связность, трехмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

Рассмотрим общие свойства времени:

Длительность - выступает  как последовательность сменяющих  друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих. Длительность предполагает возможность прибавления  к каждому данному моменту  времени другого, а также возможность  деления любого отрезка времени  на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний. Аналогично протяженности пространства длительность относиться к метрическим свойствам.

Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и общую непрерывность времени, проявляющуюся в непрерывном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения, которые его вызывают. Но время как форма бытия материи складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый их которых существует конечный период. Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний. Но эта прерывность относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

Всеобщим свойством времени  является необратимость, означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее  и будущее, переходит в них. К  прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и  превратились в последующие. Будущие события - это те, которые возникают из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимоотношению между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов.

Для объективно существующих систем настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать  между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения  воздействий была бесконечной, то это  настоящее представляло бы собой  сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной - настоящих, прошлых и будущих. Но скорость распространения воздействий  всегда конечна и не превышает  скорости света в вакууме. Действие всегда происходит только в одном  направлении: от прошлого к настоящему и от него к будущему, но никогда  наоборот.

Необратимость времени, неэквивалентность  прошлого и будущего во все большей  мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака  времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково  как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие  необратимость изменений в микромире: распады неустойчивость частиц (нейтронов, мезонов) с излучением нейтрино. Установлено, что, и протоны могут распадаться  за период времени порядка 1031 лет.

Одновременность времени  проявляется и в линейной, генетически  связанной между собой, системе  измерений. Если для определения  положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения  времени достаточно одной. Если бы время  имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что  параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные  с ним миры - двойники, в которых  те же самые события разворачивались  бы в одинаковой последовательности.

Рассмотрим теперь специфические  и локальные пространственно - временные  свойства систем. К пространственным свойствам относятся:

Контрольные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры  тел.

Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные  виды симметрии свойственны как  макромиру, так и микромиру, являются фундаментальным свойством неживой  природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым  обладает молекула живого вещества.

Изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно также полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидному пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями в зависимости от распределения тяготеющих масс.

По отношению ко времени  специфическими являются такие свойства:

Конкретная длительность существования материальных систем от их возникновения до распада, ритмы  процессов в них, соотношение  между циклами изменений.

Скорость протекания процессов, темпы развития и соотношение  между ними на разных этапах эволюции. С увеличением скорости движения тел и в мощных полях тяготения  происходит относительное замедление всех процессов в телах, их собственное  время как бы сокращается по отношению  ко времени внешних систем. Конечность скорости распространения взаимодействий обусловливает относительность  одновременности в различных  системах. События, одновременные в  одной системе, могут быть неодновременными по отношению к другой системе, движущейся относительно первой. Все это приводит к тому, что во Вселенной отсутствует  единое время, как и одно единое пространство.

Некоторые авторы в качестве самостоятельных выделяют: биологическое и социальное пространство и время, индивидуальное, психологическое, художественное историческое и т.д. Основания для этого есть.

В биологических системах есть специфические пространственно - временные свойства: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и  нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутриорганизменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и сменой времен года.

Так же и в обществе есть специфические пространственные отношения  между его элементами, собственные  ритмы и темпы изменения в  различных сферах общественной жизни, проявляется ускорение темпов развития с прогрессом науки и техники.

Но во всех этих и других системах проявляются указанные  выше всеобщие свойства пространства и времени и большинство их общих свойств.

 

 

 

 

                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, выделим основные свойства физического времени и  пространства.

В классической физике время - непрерывная величина, априорная  характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. Такая же роль времени и в квантовой механике: несмотря на квантование почти всех величин, время осталось внешним, не квантованным параметром. В обоих случаях «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть. В релятивистской физике время рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. Можно сказать, что время становится четвёртой координатой. «Скорость течения времени» становится понятием «субъективным», зависящим от системы отсчёта. (например в общей теории относительности «скорость течения времени» зависит также и от близости к гравитирующим телам).

Система отсчёта времени  в настоящее время выбирается по определению, атомного времени, а эталон секунды -9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Следует отметить, что это определение - не произвольное, а связанное с наиболее точными периодическими процессами, доступными человечеству на данном этапе развития экспериментальной физики.

Пространством в физике называют ту «арену действий», на которой разворачиваются  физические процессы и явления и  которую мы субъективно ощущаем  как «вместилище предметов». В  физике часто используются многомерные пространства - например, фазовое пространство, в котором состояние сложной системы объектов представляется одной точкой. Такие пространства - не более чем абстракции, предназначенные для постановки и решения вполне «земных» задач в обыкновенном трёхмерном пространстве.

В теории относительности  пространство оказывается одним  из проявлений единого пространства-времени, и деление отдельно на пространство и время становится зависящим  от конкретной системы отсчёта. В  большинстве разделов физики сами свойства физического пространства (размерность, неограниченность и т. п.) никак не зависят от присутствия или отсутствия материальных тел. В общей теории относительности оказывается, что материальные тела модифицируют свойства пространства, а точнее, пространства-времени, «искривляют» пространство-время.

 

 

                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Аскин Я. Проблема времени. Её физическое истолкование. - М., 1986 г.

2. Горелов А.А. Концепция современного естествознания. - М.: Центр, 2006;

3. Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания. - Новосибирск:   ЮКЭА , 2007;