Пространство-время. 
История, философия и методология естественных наук

Специальная теория относительности выявила тесную связь пространственных и временны? х признаков. Стремясь к ее осознанию, математик и физик Герман Минковски изобрел концепт пространство-время, которому сам он придавал радикальное значение: «с этого часа^[1] пространство само по себе и время само по себе превращаются в тени, и лишь своего рода их союз сохраняет самостоятельность»^[2]. Минковски был явно излишне категоричен. Связь любых двух сущих не означает их исчезновения. Предстояло по-новому оценить природу пространства и времени.

Исторический экскурс

Исследователям, уделявшим значительное внимание адекватному представлению концептуального аппарата классической механики, нередко приходила в голову идея объединения пространства и времени. Показательна в этом смысле позиция Даламбера и Лагранжа. Даламбер в 1754 г. заявлял, что представление о времени как четвертом измерении является самым сокровенным в его знаниях^[3]. Лагранж в 1797 г. отмечал, что «допустимо рассматривать механику как четырехмерную геометрию, а механический анализ как расширение геометрического анализа»^[4].

По сути, Лагранж явно намеревался реализовать идею геометризации механики. Такого рода радикальные идеи посещают математиков значительно чаще, чем физиков. Как бы то ни было, создание специальной теории относительности явно активизировало программу геометризации физики. Теперь вернемся непосредственно к физической стороне дела.

Она состоит в актуализации концепта инвариантности. Во-первых, преобразования Лоренца оказываются поворотом в четырехмерном континууме Минковского, который как раз и называют пространством-временем. Во-вторых, выясняется, что вопреки классической механике инвариантом являются не протяженности (?r) и длительности (?t), а интервал (?s):

(3.9).

Именно инвариантность интервала произвела на физиков глубокое впечатление. В качестве инвариантов протяженности и длительности действительно ушли в тень, а на их место пришел интервал. Но в качестве изменяющихся величин, значение которых зависит от выбора инерциальной системы отсчета, протяженности и длительности полностью сохранили свое значение.

Протяженности и длительности не исчезли, они были и остались актуальными признаками физических объектов. Причем они сохранили свою уникальность. Об этом свидетельствует формула (3.9). Во-первых, длительности входят в эту формулу с другим знаком, чем протяженности. Во-вторых, у них различные единицы измерения. В-третьих, только длительности входят в одно и то же выражение с параметром скорости света.

Разумеется, также актуально, что трехмерное пространство плюс одномерное время не образуют четырехмерное многообразие в физическом смысле. Это ясно постольку, поскольку единицы измерения у пространства и времени различны. С физической точки зрения время можно считать четвертым измерением пространства лишь в случае, если оно измеряется в тех же единицах, что и протяженности. Но этого нет.

Не следует оставлять вне критики и термин «пространствовремя». Есть время и пространство, которые связаны друг с другом. Но в результате этой связи не возникает третья реалия, а именно, пространство-время.

Введение

термина «пространство-время» связано с обязательством называть его именем некоторый объект. Отсюда возникает искушение полагать, что единство времени и пространства образует нечто такое, что не сводится к ним. Но всегда следует иметь в виду, что термин «пространство-время» не является именем объекта.

Кажется, что пространство-время можно считать чисто математическим понятием, не связанным с именем физического объекта. Но автор рассуждает именно о физических понятиях. Выходит, что концепт пространства-времени неудовлетворителен уже в силу своей лингвистической формы. Налицо ситуация неадекватности имеющихся в распоряжении физиков лингвистических средств. Для подчеркивания связи времени с пространством вроде бы нет лучшего термина, чем «пространство-время». Но его использование крайне редко обходится без накладок. Суть рассматриваемой ситуации прекрасно выразил Н. В. Мицкевич: «Если объединить пространство и время помогло введение 4-мерных координат, то разъединение постигается с помощью формализмов системы отсчета, и этот новый этап гораздо содержательнее, чем можно было думать во времена Минковского. Уже сама такая диалектика несет в себе большое удовлетворение для исследователя, присутствующего при его рождении»^[5].

Введение

концепта пространства-времени показывает, что физикам в интерпретации теорий следует соблюдать известную бдительность. В нашем случае тесно переплелись физические, математические и лингвистические концепты. Они ни в коем случае не должны отождествляться друг с другом.

Выводы

• 1. Пространство-время — математический, а не физический концепт.
• 2. Его правомерно использовать при физико-математическом моделировании ради выявления связей, существующих между длительностями и протяженностями.
• 3. Концепт интервала уточняет наши представления о свойствах пространства и времени.

• [1] Заявлено во время доклада. {Прим. авт.)
• [2] Minkowski Н. Raum und Zeit. Leipzig, Berlin: Teubner, 1909. S. 1.
• [3] Archibald. R. С. Time as a fourth dimension // Bulletin of the American Mathematical Society. 1914. Vol. 20. No. 8. P. 411.
• [4] Ibid.
• [5] Мицкевич Н. В. Системы отсчета и конструктивный подход к наблюдаемым в общей теории относительности // Эйнштейновский сборник 1971. М.: Наука, 1972. С. 87.