Характеристики простору, його тривимірність, однорідність, ізотропності
В науці і простір, і час розглядаються як фізична сутність, що володіє конкретними властивостями і структурою.
Простір і час - загальні і необхідні об'єктивні форми буття матерії. «У світі, - писав В. І. Ленін, - немає нічого, крім рухомої матерії, а рухома матерія не може рухатися інакше, ніж в просторі і часі».
Існують дві альтернативні можливості: або і простір, і час нескінченно подільні на частини (тобто континуально, безперервні), або і те, і інше дискретно, що традиційно розуміється як наявність для них принципової межі (кінцівки) процесу поділу на складові частини. Виникла ще в рамках натурфілософії гіпотеза оконтінуальності, нескінченну подільність простору і часу увійшла в фізичні уявлення класичної науки і залишається панівною до сьогоднішнього дня.
До переліку найбільш фундаментальних фізичних властивостей реального простору. виділених І. Ньютоном в його «Математичних засадах натуральної філософії» (1687) включають:
- безперервність - між двома різними точками в просторі, як близько б вони не знаходилися, завжди є третя;
- однородность- в просторі немає виділених точок, всі вони рівноправні, паралельний перенос не змінює вид законів природи;
- ізотропность- в просторі немає виділених напрямків, поворот на будь-який кут зберігає незмінними закони природи;
- тривимірність - кожна точка простору однозначно визначається набором трьох дійсних чисел - декартових координат. Систему координат, що складається з трехвзаімно перпендикулярних осей, що проходять через одну точку, звану початком координат, запропонував Рене Декарт (1596-1650). Осі системи можуть бути довільно орієнтовані щодо землі, напрямки сили тяжіння. Зазвичай вісь, направлену вперед-назад позначають буквою "X" (абсциса), вправо-вліво - буквою "Y" (ордината), і вгору-вниз - буквою "Z" (аппликата). Таким чином, декартово простір - тривимірний простір;
- "Евклідовому" - простір описується геометрією Евкліда, в якій паралельні прямі не перетинаються, а сума внутрішніх кутів трикутника дорівнює 180 °. Уявлення про геометрію простору суттєво змінилися з створенням загальної теорії відносності, в рамках цієї теорії показано, що під дією матерії простір стає неевклідовим.
До фундаментальних фізичним властивостям реального часу відносять:
- безперервність - між двома моментами часу, як близько б вони не розташовувалися, завжди можна виділити третій;
- однородность- в часі немає виділених точок, точка відліку часу не має значення, вона не змінює тривалість;
- одномірність - кожна точка часу однозначно визначається одним дійсним числом.
Що стосується питання обізотропності часу, тобто незалежності законів природи від його напряму, то нагадаємо, що закони класичної механіки не змінюються при зміні знака часу. Тому класична фізика абстрагувалися від чуттєвого досвіду про однонаправленому перебігу часу.
За висловом І. Пригожина, «для більшості засновників класичної науки (і навіть А. Ейнштейна) наука була спробою вийти за рамки світу спостережуваного, досягти позачасового світу вищої раціональності - світу Спінози». Фактично всі картини світу, народжені точною наукою, звільнені від розвитку, «заперечують час».
Ньютон не тільки виключив час зі своєї картини Всесвіту, але і затвердив його в свідомості як зовнішній параметр. Стало можливим розглядати безперервні періодичні процеси рівній тривалості для побудови моделі, легко вводити метрику часу.
З позицій сучасної науки особливу властивість часу є його односпрямованість. ілінеобратімость. Це властивість часу розглядають як следствіевторого початку термодинаміки. або закону зростання ентропії. Якби час потекло назад, цей закон став би законом зменшення ентропії. Таким чином, анизотропность часу-це залежність законів природи від повороту часу.
Для природничих наук важливо визначення кількісних характеристик: відстані між об'єктами, тривалості процесів. Виміряти відстань між двома об'єктами - означає порівняти його з еталонним зразком. До недавнього часу в якості еталону використовувалося тіло, зроблене з твердого сплаву, геометрична форма якого слабо змінювалася при зміні зовнішніх умов. В якості одиниці довжини був обраний метр, відрізок, який можна порівняти з характерними розмірами людського тіла. Очевидно, що в більшості випадків еталон не вкладався ціле число разів у довжину вимірюваного відрізка. Частина, що залишилася вимірювалася за допомогою 1/10, 1/100 і т. Д. Частини зразка.
В принципі вважалося, що таку процедуру можна продовжувати до нескінченності, в результаті чого виходило б точне значення довжини, що виражається нескінченною десятковим дробом, тобто речовим числом. На практиці багаторазове розподіл вихідного еталона було неможливо. Для підвищення точності вимірювання та вимірювання малих відрізків потрібен еталон суттєво менших розмірів, в якості якого по даний час використовуються стоячі електромагнітні хвилі оптичного діапазону.
У природі існують об'єкти, значно менші, ніж довжини хвиль оптичного випромінювання (молекули, атоми, елементарні частинки). При їх вимірах виникає проблема: об'єкти, розміри яких менше довжини хвилі електромагнітного випромінювання, перестають його відображати і, отже, виявляються невидимими. Для оцінки розмірів таких об'єктів світло замінюють потоком будь-яких елементарних частинок (електронів, нейтронів і т. Д.). Величина об'єктів оцінюється по так званим перетинах розсіювання, який визначається отношеніемчісла частинок, які змінили напрямки свого руху, до щільності падаючого потоку. Найменшою відстанню, відомим в даний час, є характерний розмір елементарної частинки. Говорити про менших розмірах, мабуть, безглуздо.
При вимірюванні відстаней, які значно перевищують один метр, користуватися еталоном довжини знову виявляється незручно. Для вимірювання відстаней, які можна порівняти з розмірами Землі, застосовують методи тріангуляції (визначення більшої сторони трикутника по точно виміряної меншій стороні і двома кутами) і радіолокації (вимір часу затримки відбитого сигналу, швидкість поширення якого відома, щодо моменту передачі). Для відстаней до віддалених зірок і сусідніх галактик зазначені методи виявляються непридатними (відбитий радіосигнал виявляється занадто слабким, кути трикутника відрізняються на занадто малу величину). На таких великих відстанях спостерігаються виявляються тільки самосветящиеся об'єкти (зірки і галактики), відстані до них оцінюється виходячи з спостерігається яскравості.
Виміряти тривалість процесу - означає порівняти і його з еталонним зразком. В якості останнього вибирають будь-якої періодично повторюється процес (добове обертання Землі, биття людського серця, коливання маятника, рух електрона навколо ядра атома). Довгий час в якості еталонного процесу використовувалися коливання маятника. За одиницю вимірювання часу вибрали секунду (інтервал, приблизно дорівнює періоду скорочення серцевого м'яза людини).
Для вимірювання значно більш коротких часів виникла необхідність в нових стандартах. В їх ролі виступили коливання кристалічної решітки і рух електронів в атомі (атомний годинник). Ще менші часи можна виміряти, порівнюючи їх з часом проходження світла через заданий проміжок. Мабуть, найменшим осмисленим інтервалом є час проходження світла через мінімально можливу відстань.
За допомогою маятникових годин можливо вимірювання часових інтервалів, які значно перевищують одну секунду, але і тут можливості методу не безмежні. Часи, які можна порівняти з віком Землі (близько 5 млрд років), можливо оцінювати лише по напіврозпаду атомів радіоактивних елементів. Максимальним проміжком часу, про який має сенс говорити в нашому світі, мабуть, є вік Всесвіту, оцінюваний періодом в двадцять мільярдів років.
У класичному природознавстві, які займаються головним чином описом макроскопічних, тобто можна порівняти з розмірами людського тіла, об'єктів, передбачається, що процедура вимірювання основних просторово-часових характеристик в принципі може бути виконана як завгодно точно і при цьому може практично не впливати на вимірюваний об'єкт і що відбуваються з ним процеси.