Многомерные пространства и физика

В отличие от пространства-времени классической физики мультиверс не состоит из взаимно определяющих слоев. Мультиверс является сложной многомерной мозаикой. Эта мозаичная вселенная не разрешает ни последовательности моментов времени, ни течения времени.

Вот итог этой квантовой концепции времени, выраженный словами Д.Дойч: “Время – это не последовательность моментов, и оно не течет. Тем не менее, наша интуиция относительно свойств времени в общем смысле истинна. Определенные события действительно являются причинами и следствиями друг друга. По отношению к наблюдателю будущее действительно открыто, прошлое неизменно, а возможности на самом деле становятся действительностью. Причина бессмысленности наших традиционных теорий времени в том, что они пытаются выразить эту истинную интуицию на основе ложной классической физики. В квантовой физике эта интуиция имеет смысл, потому что время всегда было квантовой концепцией. Мы существуем во множестве вариантов, во вселенных, называемых моментами”.

К великим физическим теориям ХХ века можно отнести: специальную теорию относительности, квантовую теорию, общую теорию относительности, квантовую теорию поля. Эти теории не являются независимыми. Так, общая теория относительности опирается на специальную теорию относительности, а квантовая теория поля учитывает квантовую механику и специальную теорию относительности. Эти теории достигли больших успехов, но вместе с тем они не свободны от трудностей. Общая теория относительности не полностью совместима с квантовой теорией, и сегодня никто еще не преуспел в формулировке квантовой теории гравитации. Ученые убеждены, что эти трудности, в конце концов, будут разрешены, когда квантовую теорию поля и общую теорию относительности удастся объединить в некоторую новую теорию.

Достаточно последовательная квантовая теория суперструн Грина-Шварца была сформулирована непротиворечивым образом в десятимерном пространстве-времени Минковского, шесть измерений которого компактифируются при выходе за пределы планковского объема.

Твисторная программа Р. Пенроуза. В этой программе пространство-время считается вторичной концепцией, а твисторное пространство полагается более фундаментальным понятием. “Эти два пространства связаны соответствием, согласно которому световые лучи в пространстве-времени являются точками в твисторном пространстве. Отсюда точка в пространстве-времени представляется множеством проходящих через нее световых лучей. Поэтому точка в пространстве времени становится сферой Римана в твисторном пространстве. В твисторном пространстве можно строить квантовую физику.

Можно также развить теорию твисторов, которая могла бы быть применена к искривленному пространству времени и могла бы воспроизвести уравнения Эйнштейна.

Концептуальная инновация, введенная термодинамикой, заключается в том, что она ввела в теоретическое описание необратимость, которой мы не находим ни в классической, ни даже в квантовой физике на уровне фундаментальных (основополагающих) законов. Появление необратимости в физической теоретической картине мира вошло в конфликт с классической динамикой. Ведь для нее необратимость была лишь иллюзией, за которой теоретическая физика должна увидеть фундаментальные обратимые законы.

Конечно, устранение направленности времени из теоретического описания не означало грубого, непосредственного игнорирования темпоральности в мире. Оно находило свое выражение в стремлении выразить время через пространство, полностью погрузить его в геометрию, закрыв глаза на невыразимый в ней остаток. Это стремление стали называть геометризацией времени.

Настойчивые попытки согласовать термодинамическое описание природы с классической динамикой, связанные с осознанием роли необратимости, привело к формированию новой концепции времени. Оно во многом связано с работами Брюссельской школы неравновесной термодинамики во главе с И.Р. Пригожиным. Пригожин вводит два времени: динамическое и внутреннее. Динамическое время – это время, позволяющее задать описание движение точки в классической механике или изменение волновой функции в квантовой механике. Внутреннее время – это время, которое существует только для неустойчивых динамических систем. Оно характеризует состояние системы, связанное с энтропией. Описание внутреннего времени сильно отличается от традиционного представления о времени как о величине, изоморфной прямой, идущей из далекого прошлого (t стремится к минус бесконечности) в далекое будущее (t стремится к плюс бесконечности) “Настоящее в таком представлении соответствует единственной точке, отделяющей прошлое рт будущего. Настоящее возникает ниоткуда и исчезает в никуда. Стянутое в точку, оно бесконечно близко и прошлому и будущему. В нашем представлении,- пишет И.Р.Пригожин,- прошлое отделено от будущего интервалом, длина которого определяется характерным временем тау, и настоящее обретает продолжительность”. При этом происходит, по выражению Пригожина, овременивание пространства, поскольку его характеристики связаны с характерным временем тау. Принятие второго начала термодинамики в качестве фундаментального динамического принципа приводит к далеко идущим следствиям в наших представлениях о пространстве, времени и динамике. Применение второго начала позволяет определить внутреннее время Т, которое дает возможность сформулировать нарушение симметрии, лежащее в основе второго начала. Важно, что внутреннее время существует только для неустойчивых динамических систем. Необратимость и неустойчивость тесно связаны между собой: “необратимое, ориентированное время может появиться только потому, что будущее не содержится в настоящем, мы приходим к выводу, что нарушенная временная симметрия является существенным элементом нашего понимания природы”.

Наш мир – это мир неопределенности. Стало понятно, что много интересных явлений есть в нелинейных процессах. Появились альтернативные стратегии развития исследований в этой области науки.

В программе геометродинамики физические явления строятся из свойств пространства-времени (развивается Дж. Уилером и его последователями с 50-х годов ХХ века). Она гласит: “в мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства. Материя, заряд, электромагнитные и другие физические тела являются лишь проявлением искривленности пространства. Физика есть геометрия. Все физические понятия должны быть представлены с помощью пустого, различным образом искривленного пространства, без каких-либо добавлений к нему”. Классическая геометродинамика включает в себя построение из геометрии пространства-времени эквивалентов массы, заряда, электромагнитного поля. В этой теории частица выступает как чисто геометрическое понятие. Масса, время, длина, электромагнитные поля … являются объектами чистой геометрии. Физика оперирует только длинами и ничем другим. Эта программа была продолжена в квантовой области.

Так, с развитием квантовой физики, в которой принцип дискретности энергии является центральным, возникают сомнения в универсальности такой конструкции пространства и времени, где они непрерывны. Встает вопрос и о возможности введения других размерностей для пространства и времени, отличных от трех и одного соответственно.

Представление времени с помощью числовой прямой, когда совокупность моментов-точек актуально дается вся сразу, уподобляет его пространству. Говорят, что физика, нуждаясь в математически ясном определении времени, опространствует его. Итак, в классической механике время одномерно, непрерывно, упорядочено, безгранично, бесконечно. При этом все свойства времени носят абсолютный характер, т.е. ничем другим, кроме самих себя, не обусловлены. Как перечисленные свойства, так и отношение одновременности, отношение порядка “позже, чем ”, продолжительность интервала между двумя моментами не зависят ни от выбранной системы отсчета, ни от скорости движения тела, ни от пространства. На фоне такого времени происходит перемещение (движение) в пространстве физической точки, обладающей массой, энергией и импульсом (или физического тела, построенного по определенным правилам из физических точек). Пространство вводится аналогично времени и отличается от него лишь размерностью. Оно непрерывно, трехмерно, упорядочено, безгранично, бесконечно, абсолютно. Это и есть мир теоретических объектов классической механики, который позволил описать громадный круг физических явлений. При этом один из фундаментальных законов классической физики - второй закон Ньютона (который описывает взаимосвязь силы, действующей на тело, с массой этого тела и ускорением, которое тело приобретает под действием этой силы) является инвариантным относительно знака времени (симметричен во времени). Это означает, что, если мы изменим знак моментов на обратный (был порядок: 1,2,3,…Обратный порядок будет -1, -2, -3), это не изменит физическое явление. Это говорит о том, что временной порядок не имеет выделенного направления, не направлен, т.е. время не обладает направлением.

Специальная теория относительности вводит некоторые новые представления о времени и пространстве для физических явлений, происходящих со скоростями, близкими к скорости света (так называемая релятивистская физика). Время и пространство теперь связаны друг с другом в четырехмерный пространственно-временной континуум. Метрические свойства времени и пространства теряют свойство абсолютности, каким они были наделены в классической нерелятивистской физике. Длительность временного интервала (промежуток времени) и длина зависят от скорости движения относительно системы отсчета, в которой они измеряются. Чем ближе эта скорость к скорости света, тем больше величина временного интервала и меньше величина пространственного интервала (на обыденном языке говорят: время замедляется, длина укорачивается).

В релятивистской физике впервые обращено специальное внимание на понятие одновременности. Оно лишается свойства абсолютности, которым было наделено в нерелятивистской физике. Отношение одновременности между событиями является относительным к системе отсчета. События, являющиеся одновременными в одной системе отсчета, будут не одновременными в другой системе отсчета, которая движется относительно первой с некоторой скоростью. Отношение порядка сохраняется для событий, находящихся внутри светового конуса. За его пределами понятие временного порядка становится неопределенным. Время и пространство, по-прежнему, непрерывны. Абсолютным, т.е. ничем не обусловленным, является четырехмерный пространственно-временной континуум.

В общей теории относительности Эйнштейна пространство - время связано с гравитационными массами. Оно искривляется (время замедляется) вблизи гравитационных масс. Пространство-время является неоднородным, неодинаковым для различных гравитационных условий. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство гравитационного поля. Общая теория относительности Эйнштейна является наиболее развитой теорией пространства и времени на сегодняшний день в физике. Уравнения Эйнштейна, формирующие предсказательную основу ОТО, имеют множество решений, каждое из которых описывает возможную четырехмерную конфигурацию пространства, времени и гравитации.

В 1918г Эмми Нётер (1882 –1935) сформулировала теорему (теорема Нётер), которая устанавливает связь между свойствами симметрии физической системы и законами сохранения. Если свойства системы не изменяются при каком-либо преобразовании переменных, то этому соответствует сохранение некоторой физической величины. Так, независимости свойств системы от выбора начала отсчета времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии. Однородности пространства соответствует закон сохранения импульса. Изотропности пространства соответствует закон сохранения момента количества движения. Это выражает еще раз единство физических идей и геометрии пространства-времени в физической теории.

В альтернативных исследовательских программах иногда предлагаются иные конструкции времени и пространства. Так, в физике Милна, одной из альтернатив общей теории относительности Эйнштейна, понятия пространства и времени вводятся иначе. Первичным, интуитивно более ясным, считается понятие времени.

В исследовательской программе Е.А.Милна, первостепенное значение придается времени по сравнению с пространством в том смысле, что понятие времени считается первичным, а понятие пространства – производным от него.

Причинная механика Козырева. Время и пространство являются столь фундаментальными в физических исследованиях, что построение альтернативных физик, развитие альтернативных исследовательских программ, непременно включает в себя их пересмотр. Н.А.Козырев предложил гтпотезу о субстанциальной природе времени. Опираясь на не он обнаружил влияние земных и космических необратимых процессов на вес покоящихся и вращающихся тел, на некоторые свойства вещества (плотность, упругость,вязкость, электропроводность и др.) .Действующий фактор необратимых процессов он связал с активными свойствами времени, с причинностью и с дополнительными к известным источниками физической энергии.

Принцип неопределенности Гейзенберга говорит о том, что нельзя в эксперименте одновременно точно измерить импульс частицы и ее пространственные координаты, и нельзя одновременно точно измерить энергию и временную координату. Это свидетельствует о наличии трудностей в применении классических понятий времени и пространства в квантовой области.

Общая теория относительности тоже столкнулась с трудностями в соотнесении теоретических результатов с результатами измерения пространства и времени. Эти трудности заключались в том, что в теории была построена такая концепция пространства-времени, в которой они являются неоднородными. Измеряются же они на основе концепции однородных пространства и времени. И нужно было формулировать какие-то дополнительные правила перехода от теоретического знания к эмпирическому.

Теория измерения физических величин, в том числе и пространства, и времени, хорошо развита в физике, поскольку исследователь не может обойтись без наблюдаемых в эксперименте, измеряемых физических величин. Принцип наблюдаемости является одним из регулятивов в развитии физики, хотя она и вводит иногда теоретические объекты, которые не наблюдаемы. С этим принципом во многом было связано возникновение интереса к отношению одновременности: когда задумались над тем, как ее измерять, оказалось, что это не очевидно. И отказались от привычного, казалось интуитивно ясного, понятия абсолютной одновременности. Одновременность стала относительна к системе отсчета: события, одновременные в одной системе отсчета, не являются таковыми в другой системе отсчета, движущейся относительно первой (с некоторой скоростью равномерно и прямолинейно).