Пространство-время
Пространство и время являются двумя главнейшими формами существования материи наряду с веществом, энергией, излучением, полями и волнами. Это четыре измерения Вселенной. В классической физике обе формы понимались как нечто отстраненное от свойств мироздания, абсолютное и изначально заданное. В свете современных представлений о строении материи очевидно, что пространство и время относятся к числу неотъемлемых качеств мира, тесно взаимодействующих с энергией, массой и порождены массой и гравитационным полем.
Под воздействием больших энергий или сильной гравитации, создаваемой большими массами, пространство и время испытывают деформации. Оставаясь бесконечными, они искривляются и как бы прогибаются под тяжестью нагрузок. Изменение свойств этих двух форм происходит и в отношении объекта, движущегося на околосветовой или световой скорости.
Две важные материальные формы, обусловливающие конечный облик мироздания, не были неизменными в процессе эволюции Вселенной. В сингулярном состоянии, предшествовавшем Большому взрыву и эпохе инфляции, пространство и время существовали в виде своеобразной квантовой пены, поскольку не имели присущей себе направленности, но были разбиты на бесконечное множество составных частиц-квантов. Естественно, кванты пространства и времени не являются элементарными частицами в строгом смысле слова. Это лишь составные элементы, детали, из которых слагаются обе важнейшие формы бытия материи.
Сегодня Вселенная расширяется вместе с веществом, прочей материей и пространством. При этом пространство остается бесконечным, происходит только его разворачивание во времени, сопровождаемое преобразованием измерений. Пространство обладает тремя измерениями, которые позволяют физическим телам взаимодействовать друг с другом посредством движения-вращения, движения-переноса и испускания электромагнитных волн.
Время имеет одно-единственное измерение, поэтому ученые говорят об однонаправленности времени. Направление времени совпадает в нашу эпоху с процессом расширения Вселенной, который называется «космологической стрелой времени», служит как бы указателем этой направленности и определяет эволюцию материи.
Кроме того, направление времени отчасти совпадает с характером наращивающего беспорядочность среди частиц теплового движения. Такое увеличение беспорядка в природе носит название «термодинамической стрелы времени» и представляет собой еще один указатель направленности данного измерения.
Пространство и время неотделимы друг от друга, это сильно зависимые формы материи. Не бывает пространства вне времени и наоборот, поскольку иначе материя не сможет воплотиться в космос, принять облик астрономической Вселенной с ее законами и физическими постоянными. Поэтому обе формы считаются единым пространством-временем, четырьмя измерениями материи, в которых существует Вселенная.
Выше уже было показано, что три измерения пространства позволяют обеспечивать полное взаимодействие между телами. Четвертое измерение мира обеспечивает не только полноту взаимодействий, но и условия неуничтожимое™ материи. Материя в пространственной Вселенной обладает свойствами сохранения, при которых не исчезает «в никуда», поскольку сама Вселенная четырехмерна. Чтобы материя не пропала, она при выходе из сингулярного состояния эволюционировала в направлении разворачивания четырех измерений в их тесной взаимосвязи.
Это единство позволяет материи двигаться, поскольку без движения она самопроизвольно исчезает. В результате время определяется направленным движением материи в трехмерной среде, а сама такая среда определяется временным (последовательно-порядковым) ходом событий в движущейся материи. Четырехмерность мира обусловливает существование законов сохранения в природе, на которых зиждется вечность материи. К числу этих законов относятся законы сохранения массы, энергии, барионного и лептонного зарядов, количества движения, момента импульса, спина и т.д.
Все они физически реализуются только в геометрически четырехмерной Вселенной. Эта геометрия физики восходит к общим свойствам мироздания — симметрии законов природы, восстанавливающей порядок и гармонию космических структур. Именно симметрия и соразмерность задают важнейшие свойства мира, делают его правильным, безупречным, эстетически привлекательным для человека. Пространство-время служит словно прямым следствием из симметричности природы.
Воспетая поэтами и поражающая ученых красота, вечность и сложность Вселенной обязаны своим происхождением изначальным свойствам материи, проявившимся в геометрии двух ее фундаментальных форм — трехмерного пространства и однонаправленного времени. Естественно, четвертое (временное) измерение увидеть так, как можно посмотреть на чертеже три пространственных, нельзя. Это направление не воспринимается чувствами в трехмерном мире, кроме т.н. «чувства времени», которое привязано к порядку событий, но никак не к самому измерению. Чтобы увидеть время, нужно подняться из трехмерной среды, а это представляется невозможным.
Четырехмерный мир видится ученым бесконечным геликоидом, но в целом Вселенную удобнее вообразить особым шаром, который А. Эйнштейн называл гиперсферой. Поверхность гиперсферы и является трехмерным пространством, загибающимся в четвертом измерении. Если не выбраться за пределы гиперсферы, то по ней можно бесконечно долго блуждать: конечных размеров для четырехмерного мира нет, он бесконечен в трехмерном восприятии.
Поверхность вселенского шара обладает положительной кривизной, определяющей его физические свойства. Но эта трехмерная поверхность обладает одновременно и прогибами отрицательной кривизны, порожденными гравитацией массивных объектов. Вблизи колоссальных масс время ведет себя иначе, чем в других областях Вселенной. Рядом с «черными дырами» оно вообще останавливается.
Подводя итог, можно сказать, что пространство-время бесконечно, хотя и вышло некогда из сингулярного состояния квантовой пены. Развертывание четырех измерений в ходе инфляции Вселенной служит мерилом распределения материи в мире и, соответственно, связано со значением плотности вещества во Вселенной. От последней величины зависит будущая эволюция Метагалактики, процесс расширения вещества. Преобразование плотности в конечном итоге видоизменит само пространство-время и строение космоса. А это означает, что спустя примерно 100 млрд лет, как раз после гибели последних звезд, космос перестанет существовать.
