Тайны пространства и времени

И, наконец, еще один вопрос. В теории относительности идет речь о четырехмерном пространстве Вселенной. Однако это не совсем то четырехмерное пространство, о котором говорилось выше: четвертым измерением в нем является время. Как известно, теория относительности установила тесную связь между пространством и материей. Но не только. Оказалось, что непосредственно связаны между собой также материя и время! А, следовательно, пространство и время! Имея в виду эту зависимость, известный математик Г. Минковский, работы которого легли в основу теории относительности, утверждал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны стать тенями, и только особого рода их сочетание сохранит самостоятельность». Именно Минковский предложил использовать для математического выражения взаимозависимости пространства и времени условную геометрическую модель – четырехмерное «пространство-время». В этом условном пространстве по трем основным осям, как и обычно, откладываются интервалы длины, по четвертой же оси – интервалы времени.

Таким образом, четырехмерное «пространство-время» теории относительности является всего-навсего математическим приемом, вспомогательной математической конструкцией, позволяющей в удобной форме описывать различные физические процессы. Поэтому утверждать, что мы живем в четырехмерном пространстве, можно лишь в том смысле, что все происходящие в мире события совершаются не только в пространстве, но и во времени.

Разумеется, в любых математических построениях, даже в самых абстрактных, находят свое отражение какие-то стороны реальной действительности, какие-то отношения между реально существующими предметами и явлениями. Но было бы грубой ошибкой ставить знак равенства между вспомогательным математическим аппаратом, а также применяемой в математике специфической условной терминологией и объективной реальностью.

В этой связи стоит упомянуть о том, что в математической физике нередко используется прием, который получил название построения «фазовых пространств». Речь идет об условных физико-математических конструкциях, в которых определенные физические параметры, например, масса, импульс, энергия, скорость движения, момент количества движения и т.д., рассматриваются как величины, откладываемые по чисто условным «осям координат». В таких «фазовых пространствах» поведение того или иного физического объекта или системы выглядит как его перемещение по некоторой условной «траектории». И хотя подобный прием является чисто условным, он позволяет – что весьма удобно – получать наглядное представление о состоянии и поведении изучаемого объекта.

В свете этих соображений становится ясно, что утверждать, ссылаясь при этом на теорию относительности, будто бы наш мир фактически четырехмерен – приблизительно то же самое, что отстаивать идею, будто темные пятна на Луне или на Марсе заполнены водой, на том основании, что астрономы называют их морями.

«Формула» строения мира

Окружающий нас мир настолько многообразен и многолик, что все его аспекты невозможно описать ни одной, ни даже несколькими всеобъемлющими формулами. О чем-то подобном может идти речь лишь по отношению к каким-либо ограниченным интервалам времени и пространства.

Однако и для решения подобной ограниченной задачи необходимо соответствующим образом усовершенствовать существующую теорию, в частности, избавиться от встречающихся в ней бесконечностей, которые заведомо не могут отражать реального положения вещей и которые появились в ней из-за несовершенства наших представлений о природе. Такое усовершенствование должно, по-видимому, носить кардинальный характер.

И тут на память физикам-теоретикам пришел результат, полученный около 80 лет назад польским физиком Теодором Калуца, работавшим в то время в Кенигсбергском университете. Результат, который на протяжении длительного времени выглядел в высшей степени странным…

Как известно, одним из основных достижений общей теории относительности Эйнштейна является вывод о том, что тяготение имеет чисто геометрическую природу, связанную с искривлением «пространства-времени». Калуца предположил, что электромагнитные силы также имеют геометрическую природу, и показал, что гравитация и электромагнетизм могут быть слиты в единое поле, но уже в пятимерном «пространстве-времени». При этом оказалось, что электромагнетизм является не чем иным, как гравитацией в дополнительном, то есть четвертом пространственном измерении!

Результат, полученный Калуца, в его время выглядел чистой фантастикой, неким своеобразным математическим фокусом. Поэтому Эйнштейн, прежде чем рекомендовать статью польского физика к опубликованию в физическом журнале, раздумывал целых два года!

В последующие десятилетия были открыты еще два типа физических сил – сильные или ядерные и слабые с участием нейтрино. При этом оказалось, что в многомерном «пространстве-времени» все они становятся компонентами чистой гравитации, а для нее может быть построена теория, свободная от бесконечностей.