Пространство и время в физике микромира

Еще более углубились наши представления о пространстве и времени в связи с изучением микромира на основе развития квантовой механики и квантовой теории поля. Выяснилась еще более тесная связь структуры “пространство–время” с материей.

На этом уровне вакуум рассматривается как особый вид материи — поле в состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и время нельзя оторвать от материи, что так называемая “пустота” (вакуум) — это одно из состояний материи.

Квантовая механика была применена к вакууму, и обнаружилось, что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой ее плотностью.

Минимум ее оказался равным уровню осциллятора 0,5hv. Выяснилось, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии. Эта бесконечная плотность энергии пустого пространства таит в себе огромные возможности, которые еще предстоит освоить в физике.

В глубине материи, там, где определяющую роль играют глюон-кварковые взаимодействия, становятся совершенно иными пространственно-временные понятия.

Специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части и целого, нарушается пространственная и временная четность, т. е. правое и левое пространственные направления оказываются неэквивалентными.

Все эти и многие другие особенности пространства и времени в микромире являются фундаментальными проблемами современной теоретической физики.

Но вся логика стремительного развития естествознания последнего столетия свидетельствует о том, что подобные открытия возможны.

Существуют веские основания считать, что на глубинных уровнях микромира пространство и время прерывны, так же, как и материя, “квантованы”, т. е. складываются из неделимых “порций”.

Прогнозируемый квант пространства может иметь размер порядка 10⁻³³ см (порядка планковской длины lР, характеризующий масштаб проявления квантовых свойств), но до реального проникновения в мир таких масштабов современной науке еще далеко.

Немало сомнений имеется и по поводу универсальности пространства, насчитывающего только три измерения. Уже построено немало теоретических моделей многомерных пространств (в теории супергравитации, например, использовано одиннадцать измерений пространства времени).

То же самое можно сказать и о времени. Сейчас уже не  считается универсальной характеристикой однонаправленность времени от прошлого к будущему. Так, в модели пульсирующей Вселенной предполагается, что ныне наблюдаемое расширение Вселенной может при определенных условиях смениться сжатием.

А в описывающих эту фазу ее эволюции  математических уравнениях время меняет свой знак с положительного на отрицательный, т. е. как бы “течет вспять”. Имеется и целый ряд других парадоксальных, с нашей точки зрения, явлений.

Кроме того, СТО установила также зависимость свойств пространства-времени от скорости движения тел.

А общая теория относительности привела к не менее фундаментальному выводу относительно пространства-времени.

Его общий смысл таков: метрические свойства пространства времени определяются распределением и движением тяготеющих масс материи, и наоборот, силы тяготения в каждой точке пространства зависят от его метрики. Таким образом, пространство и время существуют не “сами по себе”, а в тесной зависимости от свойств материи.