|
Проблема пространства и времени в современном естествознании теснейшим образом связана со многими кардинальными вопросами философии и, прежде всего, теории познания. Так как представления о пространстве и времени лежат в основе большинства современных научных теорий, развитие представлений о пространстве и времени помогает в анализе недостатков старых теорий и построении новых, более адекватных, в формировании научной картины мира. Макроскопическое пространство-время играет очень важную роль в жизни человека и в познании человеком окружающего мира. Зачастую источником ошибок физической теории является прямая экстраполяция макроскопических пространственно-временных отношений на микромир или на мегамир, поскольку пространство и время макромира обладают универсальным характером лишь на эмпирическом уровне исследований, в области макроскопического эксперимента. Исходя из признания качественной и количественной неисчерпаемости материи, следует учитывать возможность иных, немакроскопических пространственно-временных форм и отношений. Пространство Классическая физика рассматривала пространство как нечто абсолютное - вместилище объектов. Пространство полагалось бесконечным, линейным, непрерывным, а физическое пространство (область, которую составляют взаимодействующие материальные объекты) отождествлялось с математическим пространством дифференциальной геометрии. В теории относительности, которая появилась в начале 20 века, пространство уже не носит абсолютный характер, оно может изменяться, появляется понятие кривизны пространства, а при околосветовых скоростях, становятся возможны сокращения размеров объектов, но по-прежнему пространство представляет собой вместилище объектов. С появление теории систем появилось и новое понимание пространства как системы отношений между объектами. По мере развития системного подхода к познанию природы и развития техники, как практической деятельности по созданию технических систем, в науке развивается представление о дискретном пространстве-структуре. В современной физике пространство представляет собой математическую модель отношений между элементами структур, образованных материальными объектами. Выбор математической модели определяется структурой исследуемой системы и происходящими в ней процессами. Споры о том, сколько измерений имеет пространство, относятся к области математических моделей, это споры о том, какая модель более удобна и более наглядна. Так для описания движения твердых тел удобно использовать однородное непрерывное пространство дифференциальной геометрии не имеющее структуры (или имеющее однородную структуру). Это пространство имеет метрику (используются понятия расстояние, размер). А для описания движения потоков энергии в электрической цепи удобнее использовать дискретное пространство-структуру, состоящую из элементов электрической цепи и их связей (ветвей) - это область комбинаторной топологии (для одномерных ветвей - теория графов). Здесь пространство не имеет метрики (не применимы понятия расстояние, размер). Так как расстояние и структура создаются материей, то соответственно, без реальных объектов само по себе пространство не существует. Понятие пространства по отношению к понятиям "расстояние" (метрика) и "структура", является более высоким уровнем абстракции (обобщением) этих понятий. Измерение пространственных соотношений для метрического пространства производится методом сравнения расстояний с линейными размерами материальных объектов, выбранных в качестве эталона. Таким образом, осуществляется отображение физического пространства на математическую модель. Для человека ощущение пространства дает относительность масштабов, размеров (соотношение объекты/наблюдатель). Параметры околоземного пространства (магнитные и электрические поля, гравитация, термодинамические параметры) и происходящие в нем процессы для нас являются внешними условиями, так как мы погружены в эту среду. А мы, в свою очередь, как обособленные биосистемы, формируем внутри себя собственное пространство и собственную среду, где идут биохимические процессы, что и обеспечивает нашу жизнедеятельность. Наше внутреннее пространство и его параметры образуют внешние условия для объектов меньшего масштаба. Если и дальше продвигаться вниз по этой шкале, то внутримолекулярные условия являются внешними для атомов, внутриатомные - для ядер и электронов, входящих в атом, и т.д. Время Классическая физика рассматривала время - как нечто универсальное, независимое, то, относительно чего отсчитывают события и с помощью чего измеряют интервалы между событиями. Время полагалось непрерывным, равномерным, абсолютным, а физическое время (средство сравнения динамики материальных процессов) отождествлялось с математическим линейным одномерным пространством дифференциальной геометрии. В теории относительности, которая появилась в начале 20 века, время уже не носит абсолютный характер, оно может изменяться, предполагается, что в движущихся системах отсчета и вблизи тяготеющих масс время течет медленнее. В настоящее время в физике используют как непрерывное время процессов, так и дискретное время событий. В современной физике время образуется из множества процессов с различной динамикой и представляет собой интегрированное свойство окружающего мира. Фактически ни процессы, ни изменения, ни движения, не происходят во времени. Наоборот, они сами служат реальной физической основой для введения понятия времени. Время оказывается лишь более высоким уровнем абстракции, характеризующее динамику этих явлений. Тут прослеживается полная аналогия с понятием пространства, которое базируется на понятии расстояния, и является лишь более высоким уровнем абстракции. Аналогично, понятие времени базируется на ходе реальных движений, процессов, изменений и является лишь более удобной формой абстракции. Измерение временных соотношений производится методом сравнения промежутков между реальными событиями с количеством циклов высокостабильных циклических процессов, выбранных в качестве эталона. Таким образом, осуществляется отображение физического времени на математическую модель. Часы - это внутрисистемная динамика какой - либо системы, взятая в качестве эталона и служащая единицей динамичности, через которую выражается динамика и длительность других процессов. Принято различать внешнее и собственное время системы. Внешнее время - это динамика окружающего мира, выраженная через общепринятый эталон (вращение Земли, колебания маятника, атомные процессы, и т.д.). Здесь происходит простое сопоставление динамики одного процесса с другими, независимое от состояния наблюдателя. Собственное время - это динамика внутренних процессов какой-либо системы. Они являются и внутренним временем системы, и одновременно выполняют роль часов по отношению к внешнему миру. И через их ход воспринимается и оценивается динамика внешнего мира. Естественно, такое восприятие для системы всегда субъективно, и зависит от внутреннего состояния системы. Сам человек живет среди бесчисленного множества процессов с различной динамикой, и окружен ими. Он как обособленная биосистема, имеющая несколько каналов связи с окружающим миром, и, как субъект, обладающий разумом, всю внешнюю (по отношении к нему) динамику замечает и фиксирует. Это порождает в нем ощущение динамичности окружающего мира. Тем более, что скорость процессов (ход времени) не остаются постоянным, их течение подвержено изменениям. В разных системах есть свои ускорители (катализаторы) и замедлители (ингибиторы) внутренних процессов. В электромагнитных явлениях это могут быть сильные электрические, магнитные, гравитационные поля. В физико-химических и биологических системах еще добавляются температура, давление, катализаторы, и т.д., а у человека добавляется психологическое, субъективное ощущение времени. При ожидании, или суете, восприятие внешнего времени становится иным. Тут накладываются факторы чисто психологического характера. Если человек увлеченно занят чем-то (чтение, игра, работа и т.д.), его мозг не может корректно проследить и анализировать что происходит в его вашем окружении. Поэтому, в этой ситуации, человек времени не замечает. Психологическая составляющая восприятия времени, которая основывается на органах чувств, обычно называется субъективным восприятием времени. В реальной жизни человек нередко попадает в экстремальные и стрессовые ситуации. Тогда организм мобилизует все силы на выход из создавшегося положения. При этом наблюдаются необычное, восприятие динамики окружающего мира. Психологи объясняют это субъективным восприятием времени, но в данной ситуации, субъективное восприятие может быть связано как с психологической частью восприятия, так и с состоянием организма в целом. В этом случае происходит ускорение биохимических процессов всей системы, т.е., ускорение идет на более глубоком уровне (жизнь висит на волоске !!!). В таких экстремальных ситуациях биохимические процессы организма ускоряются, и поэтому внешняя динамика воспринимается иначе. Динамика процессов в организме человека не является постоянной. В растущем молодом организме биохимические процессы идут быстро, и как следствие, быстрее происходит заживление ран, переломов, и иных повреждений. Организм быстрее адаптируется к изменяющимся внешним условиям: температуре, давлению, влажности, и т.д. Одним словом, молодой организм более гибок и лучше держит динамическое равновесие, как в отношениях с окружающей средой, так и внутри себя. Постепенно, с возрастом скорости процессов начинают замедляться. С этим связано, замедление заживления ран, срастания костей, и медленная реакция организма пожилых людей на изменения внешней среды (температуры, давления, влажности и т.д.). Налицо ухудшение адаптационных возможностей организма. И вряд ли кто будет спорит, что в детском возрасте дни кажутся длинными, а пожилом - наоборот, кажутся быстротекущими. Это следствие различия скоростей внутренних процессов, и как результат, различное восприятие динамики окружающего мира. Различия могут быть и между людьми одинакового возраста. Если сравнить любых двух людей, то у них наверняка обнаружится различие в скоростях внутренних процессов. Если им дадут задание интуитивно определить некий интервал длительности, то их оценки наверняка будут различаться. Из-за различия скоростей внутренних процессов, люди по-разному оценивают внешнюю динамику. Это подтверждаются многочисленными тестами и опытами, проведенными на разных категориях людей. Человек давно уже умеет управлять течением времени (скоростью процессов) различных систем. Например, ставя молоко холодильник, мы, охлаждая его (снижая температуру), замедляем внутреннее время молока, чтобы оно дольше оставалось молоком (увеличиваем его жизнь). И наоборот, если молоко поставить на солнце или нагреть, то молочная стадия будет более короткой. Так же мы поступаем, покрывая металлические трубы антикоррозийными красками, изолируя их от внешних условий, чтобы увеличить срок службы. Пространство-время В начале 20 века немецкий математик и физик Г.Минковский высказал предположение, что три пространственные и одна временная размерность тесно связаны между собой (3+1). Он писал, что отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность. Так в теории относительности впервые пространство и время стали рассматривать как нечто единое - как 4-х мерное пространство-время. Позднее, советский ученый Р.Бартини в своих работах отмечал, что при наличии пространственной анизотропии процессов (если динамика процессов вдоль различных координатных осей различна), следует использовать для каждой пространственной координаты свое время (трехмерное время). При этом пространство-время становится шестимерным (3+3). Дальнейшее развитие науки в целом и динамики твердого тела в частности привело к появлению комплексного пространства-времени, в котором пространственные координаты представляют собой действительную часть, а временные координаты представляют собой мнимую часть комплексного пространства-времени. Дальнейшее развитие математических моделей пространства-времени связано с введением таких математических объектов, как тензоры. Тензорный анализ позволяет отделить то субъективное в изучении явления, что связанно с позицией ученого, с выбором той или иной системы координат, от объективного, объективной реальности, которая не зависит от точки зрения (от выбора системы координат). Общность же пространства-времени заключается в том, что они оба связаны с процессами в системе, если характер процессов и внутренняя структура определяют само пространство и его параметры, то динамика внутренних процессов создают эффект времени. Как видим, пространство и время представляют собой лишь разные средства описания одного и того же явления - процессов. Понимая систему как структуру связанных элементов и процессов, протекающих в этой структуре можно сказать, что связи между элементами образуют пути, а процессы, протекающие в этих путях, представляют собой потоки вещества и энергии. При этом элементы системы и связи между ними образуют пространство системы, а динамика потоков вещества и энергии представляет собой время системы. Так для электрической цепи пространство-структура (узлы, контуры, ветви) описывается законами Кирхгофа, а процессы в ветвях описываются законом Ома и его обобщениями. При этом теория расчетов электрических цепей рассматривает ОДНОВРЕМЕННО и уравнения процессов и уравнения структуры. Эти уравнения и представляют собой пространство-время, как математическую модель процессов в электрической цепи. Энергия Чтобы шли процессы в системах, и происходили изменения в природе, ничего особенного не требуется. Для этого нужно всего лишь вещество и энергия (взаимодействие). Например, чтобы ваши часы шли, нужно их заводить, или заряжать, т.е., подвести энергию. Иначе, они будут стоять. Так же и с любыми процессами - в астрономических масштабах, или же, в микромире - на уровне атомов, и частиц, не зависимо от того, самопроизвольно происходят эти процессы, или же искусственно созданы человеком. Везде необходимым условием движения и процессов, являются вещество и энергия. В природе существует два фундаментальных вида взаимодействия: обмен веществом и энергией. Фундаментальность этих видов взаимодействия заключается в том, что все прочие взаимодействия происходят только через их посредство. Термин "энергия" появился в начале 19 века и был введен в механику английским физиком Т.Юнгом, под этим термином он понимал величину пропорциональную механической работе. Чуть позже его соотечественник Д.Джоуль установил эквивалентность тепла и работы, измерив механическую работу, которую необходимо затратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Также Джоуль обнаружил, что связи, между выделением или поглощением тепла, в электрических и магнитных явлениях, в химических реакциях, а также биологическими объектами, носят характер превращения энергии. Он же определил общий эквивалент для физико-химических превращений, что позволило измерить сохраняющуюся величину. Впоследствии эта величина стала известна как "энергия". А немецкий ученый Г.Гельмгольц сформулировал закон сохранения энергии. Энергия первоначально была в физике абстрактной идеей, и стало популярной благодаря закону сохранения энергии, согласно которому она не возникает из ничего и не уничтожается. Это понятие сильно упрощает описание широкого круга физических процессов и охватывает огромное количество экспериментальных фактов, и не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать эти факты каждый в отдельности. Но при этом возникает трудность однозначного формулирования понятия "энергия". Максимально обобщенное понятие не имеет, как правило, прямого практического применения, а определения, данные в рамках отдельных прикладных наук, имеют очень узкую область применения. Так наиболее общее определение понятия "энергия", используемое в философии: "энергия - количественная мера движения материи" непосредственного применения на практике не находит. Это вершина иерархии понятий "энергия". На низлежащем уровне иерархии, пожалуй единственное физическое определение понятия "энергия", в котором отсутствует тавтология, это определение Р.Феймана: "энергия это физическая величина, остающаяся неизменной при любых взаимодействиях в замкнутой системе". На еще более низких уровнях понятие "энергия" конкретизируется в понятиях видов энергии: тепловая, электрическая, потенциальная, кинетическая и т.д. Кинетической энергией называют энергию, которой тело обладает вследствие своего движения. Потенциальной энергией называют энергию, которая определяет взаимным расположением тел или частей одного тела. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия тел. Взаимодействующие тела могут обладать одновременно и кинетической и потенциальной энергией, то есть полной энергией. Раздел физики - термодинамика, рассматривает все явления с точки зрения взаимообмена и преобразования энергии. Совокупность физических тел, которые взаимодействуют между собой и внешней средой, обмениваясь с ними энергией и веществом, является термодинамической системой. Термодинамика рассматривает изолированные системы, которые не взаимодействуют с окружающей средой. Но в отличие от такой идеализированной системы, реальные системы в той или иной мере обмениваются с окружающей средой и энергией и веществом, и поэтому можно сказать, что в природе не существуют совершенно закрытых систем. Тем не менее, некоторые закономерности идеализированной системы вполне применимы и к реальным системам. Одна из таких закономерностей это тепловое равновесие. Если долгое время внешние условия остаются неизменными, то любая термодинамическая система рано или поздно самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. При тепловом равновесии все макроскопические параметры системы могут оставаться сколь угодно долго неизменными, но микроскопические процессы внутри тела (движение и взаимодействия частиц) не прекращаются. Между частицами тела (системы) происходит непрерывный обмен энергией.
В термодинамике наиболее известны два закона. Наблюдаемые нами системы находятся в относительно сбалансированном состоянии, поэтому относительно устойчивы. Хотя надо сказать, что такое утверждение весьма приближенно, так как многие системы могут временно находится в неравновесном, квазиравновесном или же в стационарном состояниях. Все эти различные состояния систем, какой бы она не была на сегодняшний день, являются лишь временными стадиями (временно стабильными точками) по пути к равновесному состоянию. Любая система рано или поздно придет в равновесие. Только у какой-то системы это займет больше времени, у какой-то - меньше. Из-за наличия множества параметров все это не так уж просто, особенно для сложных систем. Так как при стремлении выровнять разницу в одних параметрах, возникнут градиенты других параметров. Получится своего рода медленно затухающая колебательная система. Только у природы не два положения асимметрии как у механического маятника (левое и правое), а множество (гравитационное и электромагнитное поля, температура, давление, плотность, концентрация и т.д.). Таким образом получается, что любая система может обладать множеством подвижных равновесных состояний в зависимости от внутренних, и в особенности от внешних условий. Энтропия Затронув понятие энергии, невозможно обойти вниманием понятие энтропии. В середине 19 века немецкий физик Р. Клаузиус ввел новое понятие - энтропия. Оно было введено вначале для того, чтобы отличить обратимые процессы от необратимых. Было известно, что энтропия возрастает только в результате необратимых процессов. Но позже выяснилось, что энтропию можно рассматривать как внутреннюю эволюцию изолированной системы, так как изолированная система с течением времени самопроизвольно переходит равновесное состояние. При этом энтропия системы монотонно возрастает по мере приближения к термодинамическому равновесию, и равновесию соответствует состояние с максимумом энтропии. Но если существование материи подчиняется второму началу термодинамики, то откуда же взялось все то многообразие окружающего нас мира, которое мы наблюдаем? Оказывается, у второго начала термодинамики есть своя диалектическая противоположность - принцип самоорганизации неравновесных диссипативных структур. Именно взаимодействие диалектических пар противоречий и представляет собой движущую силу развития материи. Современная термодинамика опирается на результаты работ Умова о потоках энергии и на результаты работ Пригожина о диссипативных (состоящих из множества однородных элементов) структурах. Это позволяет объяснить два противоположных направления эволюции неравновесных диссипативных систем: как в направлении установления равновесия (максимума энтропии) - по Клаузиусу, так и в направлении формирования новых диссипативных структур - по И.Пригожину. Рассмотрим изолированную систему, состоящую из множества однородных частиц (газ в замкнутом объеме). Кинетическая энергия в диссипативной среде существует в двух формах: интегральные потоки энергии (потоки Умова-Пойтинга) и тепловая форма кинетической энергии. В равновесном состоянии для Максвелловского распределения по скоростям средняя проекция скорости хаотического движения на любое направление оказывается равной нулю. Следовательно, равна нулю и проекция усредненного импульса на любое направление, а результирующий импульс представляет собой так называемый нуль-вектор. Система находится в состоянии термодинамического равновесия. Теперь сообщим группе частиц механический импульс (количество движения), что порождает интегральный поток энергии в диссипативной среде и проследим за развитием процесса. В процессе множества нецентральных соударений (т.к. совпадение направления относительной скорости частиц с линией, соединяющей центры масс частиц крайне маловероятно), которые мы будем считать абсолютно упругими, выполняются закон сохранения импульса и закон сохранения энергии. При этом в процесс вовлекается все новые и новые частицы, в результате чего масса результирующего импульса постоянно растет, а скорость результирующего импульса, т.е. общего переноса падает. Но в кинетическую энергию скорость входит в квадрате, поэтому при увеличении массы и соответственно уменьшении скорости переноса, кинетическая энергия общего переноса, т.е. та, которую несет результирующий импульс, уменьшается. Закон сохранения общей кинетической энергии системы не нарушается, т.к. пропорционально увеличивается хаотическая составляющая кинетической энергии, составляющая нуль-вектор. Результирующий импульс, оставаясь постоянным по величине и направлению как вектор, сложившись из большого числа микроимпульсов вовлечённых в общее движение частиц, вырождается как носитель интегрального количества движения. Энергия импульса переходит в тепловую энергию среды, а этот процесс диссипации энергии и лежит в основе второго закона термодинамики. Максимальная мощность процесса диссипации и есть тот порог, не преодолев который невозможно в системе получить потоки Умова-Пойтинга, невозможно сформировать стабильную диссипативную структуру. Необходимо выполнение условия, при соблюдении которого система выходит на точку бифуркации и в диссипативной среде формируется диссипативная структура. Неравновесность состояния диссипативной среды, согласно идеям выдвинутым Брюссельской школой физики, служит источником упорядоченности. Это необходимое, но не достаточное условие возникновения потоков энергии Умова-Пойтинга. Только если мощность возникающих интегральных потоков больше мощности процесса диссипации энергии, только тогда в системе возникают потоки энергии Умова-Пойтинга, формируются диссипативные структуры Пригожина. Для возникновения совместного движения группы элементов в диссипативной среде необходимо преодоление некоего порогового соотношения (диссипативного порога), зависящего от свойств элементов, составляющих диссипативную среду. Величина диссипативного порога является важнейшей характеристикой многочастичной системы. Именно диссипативный порог, обусловленный свойствами материальных объектов, составляющих диссипативную среду, определяет направление событий, направление эволюции в неравновесной диссипативной среде. Как ни странно, но одно и тоже состояние системы называют двумя разными терминами: максимум энтропии и равновесие (симметрия). Возможно, в дальнейшем понятие энтропии уйдет, оставив только понятие симметрии. Термин энтропия (хаос) вполне можно заменить на термин симметрия (отношения дальнего порядка). Тогда, в уже существующих формулах, где фигурирует энтропия, под энтропией можно понимать симметрию. В состоянии равновесия как раз симметрия и будет максимальна (как и энтропия). |