Неклассические идеи

Движение света, конечно, не такое очевидное явление, как Движение тел. Но опыт показал, что Движение света явление вполне понятное в ряде ситуаций. Так, скорость света в среде меньше, чем в пустоте. В движущейся среде можно ожидать увеличения скорости распространения света по движению среды и ее замедления для случая встречного распространения, подобно тому, как это происходит при плавании лодки по и против течения реки. Опыт подтвердил эти ожидания.

Поэтому казалось правдоподобным, что скорость света будет разной для двух наблюдателей в пустоте, один из которых удаляется от источника света, а другой приближается к нему. Можно было ожидать, что, подобно тому, как пули автоматной очереди, световые импульсы в последовательности будут не только замедленно пролетать мимо убегающего от них наблюдателя, но и между импульсами убегающий обнаружит большие промежутки времени, чем интервалы между вспышками в источнике света. Оказалось, что действительность не соответствует этим здравым домыслам.

Таким образом, следует помнить, что быстрее света ничто не двигается. И оказывается, что световые “пули” действительно пролетают мимо убегающего от них реже, чем их выпускает источник, но скорость пролета “пуль” мимо бегущего такая же, как и скорость пролета их мимо стоящего. Кажется, что такого быть не может. Но действительность не только парадоксальна, но и имеет непротиворечивое толкование, правда, в рамках совершенно новых, увы, не наглядных, представлений о Пространстве и Времени. Эти толкования дает Теория Относительности.

Дело в том, что еще в середине 19 века, в период наибольшего торжества классического естествознания, в науке стали возникать идеи, радикально отличные от классических. Одной из первых таких идей была эволюционная теория Дарвина, которая, в частности, показывала, что процессы в природе протекают необратимо, и на индивидуальном уровне эти процессы очень часто совершенно непредсказуемы. Появившаяся в середине 19 века, она имела ошеломляющий успех и была признана уже через два – три года. Хотя ее подробное рассмотрение в этом месте нашего курса не вполне логично, и мы этого делать не будем, но нескольких слов она, несомненно, заслуживает.

Эволюционная теория Дарвина имела непосредственное отношение и к происхождению человека, что и отразилось в вульгарной расхожей формуле, что «человек произошел от обезьяны», причем обычно имеются в виду современные человекообразные обезьяны – горилла шимпанзе, орангутан. На самом деле Дарвин утверждал, что человек и обезьяны имеют общего предка, что, согласитесь, совсем не одно и то же. Дарвиновская теория эволюции служит путеводной нитью и до сих пор, и в частности материалов по происхождению человека накоплено в последние полстолетия очень много, и все они укладываются в дарвиновскую теорию эволюции. Однако, благодаря открытиям последних лет представления о наших предках изменились очень сильно.

Так, древнейшим предком человека сейчас считается человекообразная обезьяня под названием проконсул, жившая в Африке, в районе озера Виктория, 18 млн лет назад. Небольшого размера (15 – 35 кг), не способный к быстрому бегу по земле, к прыжкам с дерева на дерево, он, скорей всего, медленно передвигался на четырех ногах по толстым ветвям.

А вот что произвело подлинную сенсацию в исследованиях предков человека, так это открытие в 1974 году в Африке Афарского австралопитека («Люси»). При этом обнаружилось, что Люси ходила на двух ногах, хотя жила еще 3 млн лет назад! Оказалось, что совсем не необходимость освободить руки для труда сделала людей прямоходящими – люди произошли от прямоходящих животных! Первые каменные орудия появляются на Земле почти на миллион лет позднее, значит эти животные стали прямоходящими из-за каких-то своих причин. При этом строение Люси ясно показывает, что ходить на четвереньках она просто не могла – для нее хождение на двух ногах было единственным способом передвижения. А судя по строению ее черепа, основным средством ее обороны были совсем не освободившиеся руки, а зубы.

Возвращаясь ко времени появления эволюционной теории Дарвина, в середину 19 века, напомним, что тогда же Д-К Максвелл и Л. Больцман стали применять вероятностно-статистические методы для исследования тепловых явлений. Г. Лоренц, А. Пуанкаре и Г. Минковский в конце 19 века стали разрабатывать идеи релятивизма, критикуя устоявшиеся представления об абсолютном характере пространства и времени.

Рассмотрим теперь вкратце такое важное понятие, как пространство.

Дать определение такому очевидному понятию как Пространство непросто. Вообще, многие очевидные понятия определить нелегко. Но Пространство относится к числу особых понятий. Оно - из числа фундаментальных. Это значит, что его определение через более общие понятия лишено смысла.

Есть, конечно, такие общие понятия как Материя или Бог, но они еще менее ясные, чем интуитивно очевидное понятие Пространства. Так что если не давать определений подобных “вместилище материи” или “ящик без стенок” (Аристотель), то о Пространстве можно говорить содержательно, если приписать ему конкретные признаки и свойства.

Наши обыденные знания о Пространстве не намного больше, чем у людей прошлого. Поэтому имеет смысл обратиться к непосредственному опыту восприятия и осмысления признаков и свойств Пространства.

Один из основных признаков Пространства - его протяженность. Это свойство измеримо. Это значит, что часть Пространства можно охарактеризовать количественно - размером. Возможность выделить из Пространства его часть вызывает вопрос о размерах всего Пространства. Многие в детстве задавались вопросом: везде ли есть Пространство или оно ограничено? Сторонники идеи бесконечной протяженности доказывали свою правоту так: если на границе Пространства протянуть руку за неё, то что там? Сторонники идеи ограниченного Пространства говорили, что граница непроницаема, а за ней –  Пространства нет. В этом суждении подразумевается, что отсутствие Пространства - это не пустота, а нечто необъяснимое. Сейчас, большинство наших современников придерживаются первой точки зрения. Но современная наука допускает возможность ограниченной Вселенной, и об этом будет сказано ниже.

Другой важный вопрос о свойстве Пространства - это вопрос о его делимости. Иными словами: есть ли минимальный элемент Пространства? Ведь в наше сознание прочно вошло знание того, что вещество состоит из атомов. Так нет ли структуры у Пространства? В этом вопросе также есть две противоположные позиции, а современная наука на этот вопрос ответа не дает. И об этом поговорим дальше.

Следующий вопрос: из чего состоит Пространство? Казалось бы ответ такой: "ни из чего". Но противники такой точки зрения могут возразить: "если звук распространяется в среде, например, в воздухе, то свет распространяется в чем? Значит, Пространство состоит из чего-то". А если состоит, то может и менять свои свойства при воздействии? Например, может быть, Пространство при нагревании расширяется, подобно веществу?

Далее. Положение точки в пространстве определяется тремя координатами, на листе бумаги - двумя, на линии - одной. Почему наше Пространство имеет три измерения? Нет ли в нашем мире скрытых составляющих пространства?

Наше Пространство считается однородным. Это свойство, называемое изотропией, означает, что везде в Пространстве действуют одинаковые законы Природы, и любое явление в одном месте будет точно таким же в другом. Так ли это? Этот вопрос не имеет отношения к очевидному различию мест в окружающем нас Мире. Конечно, температура кипения воды на вершине горы меньше, чем у ее основания. Но это различие обусловлено давлением воздуха. Если же давление одинаково в разных местах, то место положения воды не может влиять на температуру ее кипения.

Возможны другие вопросы в отношении свойств Пространства. Например, меняется ли оно с течением времени? Такой и подобные вопросы решались философами прошлого посредством умозрительных построений и не дали ничего в познании Пространства. Однако философские рассуждения совершенствовали мышление.

Итак, обыденный опыт приписывает такие основные признаки и свойства Пространству: оно измеримо, трёхмерно, всюду одинаковое и неизменное.

В последнее время вошло в моду говорить о Пространстве в условном смысле. Говорят о правовом, юридическом, экономическом и т.п. Пространствах. При этом подразумевается, что всё это следует понимать не в бытовом, а в строго определенном в законах, юриспруденции, экономике и т.п. смыслах, и не более того.

Иное - Пространства математические. В математике несущественны свойства основных понятий, таких как точка, линия, поверхность и т.п., а рассматриваются их отношения типа "две точки можно соединить только одной прямой и бесконечным числом любых линий ".  Казалось бы, что можно открыть нового в понимании Пространства на математическом пути? Ведь геометрия Евклида уже почти два тысячелетия не давала повода усомниться в своей правильности описания свойств реального Пространства. Так, например, не слишком очевидное утверждение о сумме углов в любом треугольнике, равной 180 град., соответствует реальности, как и все предсказания геометрии Евклида. Поэтому геометрия считалась выразительницей свойств нашего Пространства.

Но так было до середины прошлого века, когда в математике появились первые новые содержательные вопросы о возможных свойствах реального Пространства и о возможных способах выявления этих не известных евклидовой геометрии свойств.

Широко известна история открытия в позапрошлом веке Лобачевским и Больяи новой геометрии. В ней утверждалось, что через точку вне заданной прямой линии проходят много параллельных линий. Другим результатом было предсказание неравенства суммы углов треугольника 180 град и тем большего отклонения суммы от этой величины, чем больше площадь треугольника.

Значение открытия неевклидовой геометрии многоплановое. Трудным и даже драматическим было осмысление новой геометрии как её создателями, так и их современниками. Ведь получилось, что геометрии могут быть разными, а какая из них соответствует реальному Пространству? Чтобы ответить на этот вопрос, впервые потребовалось выяснить точность наших пространственных измерений и возможность обнаружить несоответствия их евклидовым законам. Что значат отклонения от последних и какой новый круг вопросов открывается за этим, стало ясно позднее, когда появились наглядные толкования новой геометрии.

Наглядное представление неевклидовой геометрии возможно в двумерной модели Пространства, т.е. в геометрии на поверхности. В этой геометрии отрезками прямых считаются линии наименьшей длины, соединяющие две точки. Интуитивно ясно из нашего опыта жизни на большой по сравнению с человеческими мерками Земле, что её маленькую часть можно рассматривать как часть плоскости.

Поэтому величины углов между прямыми линиями на любой поверхности можно определять так же, как и на плоскости. А из этого получается, что равносторонний треугольник на глобусе с двумя вершинами на экваторе и одной на полюсе имеет сумму его углов 3·90 = 270 град. При этом никто не усомнится, что на земном шаре треугольник размером с лист книги будет иметь сумму углов, неотличимую от 180 град.

На этом примере можно уяснить и 3-мерную ситуацию с треугольником в неевклидовой геометрии. Можно ожидать, что у большого треугольника в таком пространстве сумма углов не будет равна 180 град. Самое существенное в данной картине, то чего нет в евклидовой геометрии, - это размер Пространства, подобный размеру шара в 2-мерной модели. Пока размеры области нашего рассмотрения малы по сравнению с размером, характеризующим неевклидово пространство,– геометрия в этой области будет почти евклидовой.

Конечно, можно представить 2-мерную модель пространства не только в виде шара и даже не в виде поверхности конечной площади. Бесконечные по площади  поверхности могут иметь в разных местах разные степени "закругленности", характеризуемые значением радиуса кривизны. Аналогичная 3-меpная модель выразит свойства такого Пространства, которое, во-первых, бесконечно, а во-вторых, неоднородно, т.е. в разных его местах измерения одинаковых объектов будут давать разный результат. Такой неоднородности нет в Пространствах постоянной кривизны, 2-мерной моделью которого является, например, сфера.

Итак, математическое открытие дало содержательную постановку вопросов в проблеме познания Пространства. Главный вопрос такой: если наше Пространство считается евклидовым в малой области, то до каких размеров это допустимо и однородно ли при этом Пространство?  Вопрос о том, что вызывает искривление пространства и чем определяется величина его искривления, не ставился математикой, но этот вопрос естественно следует из первого.

Нужно отметить, что математическое воображение нарисовало возможные фантастические свойства Пространства, разумеется, только либо в больших масштабах, либо в исключительных его местах. Среди них интересно выделить свойства связности, благодаря которым возможно “нырнуть” в определенном месте и оказаться очень далеко от начального положения или, обойдя вокруг особого места, вернуться в начальное, изменив себя на зеркальное подобие, например с сердцем справа.

Основное отличие этих фантазий от литературных состоит в том, что условия реализации научных фантазий определены и объяснено, почему они сейчас несбыточны.

Если по аналогии с 2-х и 3-х-меpными Пространствами рассмотреть переход от 3-х к 4-х-меpномy, то понятно, какие явления наблюдались бы в нашем Пространстве, если бы была возможность перемещения в четвертое измерение. В физике рассматриваются возможности существования у нашего Пространства скрытых измерений. При этом не все измерения пространства считаются эквивалентными. Что это значит, легко пояснить на 2-меpном примере сферы и цилиндра. На поверхности шара все направления эквивалентны, а поверхность очень тонкого цилиндра может рассматриваться как “почти одномерное Пространство” - линия. Подобно этому, четвертое измерение может быть почти незаметным, если вдоль него возможны только микроскопические перемещения.

Наконец, забегая далеко вперед, укажем, что в современном естествознании представления о Пространстве сильно отличаются от обыденных, сложившихся давно и бытующих до сих пор. И эти научные представления сейчас подтверждаются экспериментально.