Почему нам так трудно понять суть пространства — «наука»
В случае если вся материя во вселенной неожиданно провалится сквозь землю, будет ли пространство существовать? Исаак Ньютон думал, что будет. С его точки зрения, пространство — это что-то похожее на симулятор голографических образов из «Звездного пути»: необычная трехмерная сеть, на которую проецируются все объекты вселенной.
На первых страницах собственной работы «Математические начала натуральной философии» Ньютон написал: «Полное пространство по самой собственной сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается неизменно однообразным и неподвижным».
Убедительные подтверждения данной мысли возможно отыскать в отечественной повседневной жизни. Я иду на восток, вы идете на запад, а строение почты остается на месте: совокупность координат остается статичной. Но современник Ньютона, философ и немецкий математик Готфрид Лейбниц, не принял идею полного пространства.
В случае если убрать все те разнообразные объекты, каковые совместно составляют вселенную, утверждал он, «пространство» больше не будет иметь никакого смысла.
Доводы Лейбница становятся значительно убедительнее, если вы попадаете в космос, где вы имеете возможность отмечать лишь собственную удаленность от солнца или других планет — объектов, каковые находятся в постоянном перемещении относительно друг друга. Согласно точки зрения Лейбница, единственный разумный вывод содержится в том, что пространство «относительно»: пространство является множеством неизменно изменяющихся расстояний между вами и разными объектами (и расстояний между ними), а вовсе не «безотносительную действительность».
Наоборот, ответил Ньютон. Эффекты безотносительного пространства в полной мере замечаемы. И, дабы это доказать, господин Исаак совершил опыт с вращающимся ведром воды.
Не обращая внимания на собственную внешнюю простоту, данный опыт стал причиной начало споров о природе пространства, времени, перемещения, силы и ускорения, каковые длятся до сих пор.
Как колонизировать Млечный путь?
Scientific American21.01.2016Какой была вселенная в момент рождения?
Forbes24.01.2016В собственных «Математических началах натуральной философии» Ньютон предлагает нам представить себе ведро воды, подвешенное на веревке за ручку. В случае если поворачивать его по часовой стрелке, веревка будет закручиваться. Что случится, в случае если отпустить ведро?
Ведро начнет вращаться против часовой стрелки — сперва медлительно, а после этого стремительнее. Но случится еще кое-что: как пишет Ньютон, поверхность воды «неспешно будет принимать вогнутую форму, опускаясь посередине и поднимаясь у края. В течение некоего времени вода и вёдро будут вращаться совместно.
В итоге вращение ведра замедлится, и оно начнет вращаться в другую сторону; вращение воды также замедлится, и ее поверхность опять станет ровной.
Ученики старших классов уже знают о центробежной силе, но что заставляет воду подниматься у края ведра? Согласно точки зрения Ньютона, это не может быть перемещение воды относительно ведра, по причине того, что поверхность воды делается самый искривленной в тот момент, в то время, когда вода вращается быстрее всего, «синхронно» с ведром. Очевидно, вода и вёдро вращаются относительно Земли, но это также не может служить объяснением, по причине того, что такой же опыт, совершённый в космосе, согласно точки зрения Ньютона, продемонстрирует тот же итог.
С позиций Ньютона, единственный метод растолковать опыт с ведром — это заявить, что вода вращается довольно безотносительного пространства. Тут появляется понятие инерции — еще одного главного понятия в «Математических началах натуральной философии» — другими словами сопротивления тела любым трансформациям в скорости либо направлении его перемещения. В то время, когда вода и вёдро вращаются, стены ведра мешают воде двигаться прямо в стороны, исходя из этого она поднимается у края ведра.
Но из-за чего объекты по большому счету владеют инерцией? В девятнадцатом веке австрийский физик Эрнст Мах (Ernst Mach) выдвинул идею о том, что инерции и любое объяснение движения — а также перемещения воды во вращающемся ведре — возможно разглядывать только относительно всей другой материи во вселенной.
С позиций Маха, сама Почва представляет собой более сложную и масштабную версию ведра: с момента формирования нашей системы миллиарды лет назад Почва непрерывно вращалась, и ее экватор «выпячивался», подобно воде во вращающемся ведре. Мах задумался: в случае если вращение Почвы остановить и вынудить все звезды и другие планеты вращаться около нее, останется ли ее экватор выпуклым?
Ньютон сообщил бы, что нет: нет вращения — нет выпячивания. Но, с позиций Маха, ответ на данный вопрос зависит от того, откуда берется инерция объекта. Если она каким-то образом есть следствием массы материи во вселенной, тогда планета останется выпуклой у экватора, пока звёзды и другие планеты будут вращаться около нее.
Это картина относительности Лейбница в усиленном варианте: согласно точки зрения Маха, перемещение довольно, а инерция есть мерой отношения в это же время либо иным объектом и всей другой материей во вселенной. В случае если теория Маха верна, то галактики и звезды, родные и дальние, в определенной мере обуславливают вогнутую поверхность и форму Земли воды во вращающемся ведре Ньютона. Но Мах не растолковал, как эти галактики и далёкие звёзды воздействуют на Землю — а также сейчас ответ на данный вопрос остается тайной.
Быть может, самым внимательным читателем трудов Маха стал Альберт Эйнштейн, что позднее сумел инкорпорировать то, что он назвал «принципом Маха» — идею о том, что инерция тела зависит от совокупности материи во вселенной — в собственную теорию неспециализированной относительности.
Громадный успех теории Эйнштейна стал финальным ударом по ньютоновской концепции безотносительного пространства, но без данной концепции безотносительного пространства мы до сих пор не можем осознать суть опыта с вращающимся ведром. В собственной книге «Ткань космоса» (The Fabric of the Cosmos) физик Брайан Грин (Brian Greene) пишет, что, не смотря на то, что теория Эйнштейна стёрла с лица земли ньютоновскую концепцию полного пространства, она дала нам что-то вместо — четырехмерную структуру, именуемую пространственно-временным континуумом — и он, согласно точки зрения Грина, есть полным.
Мы с вами можем спорить о длительности парада либо о расстоянии, которое прошли его участники, но мы сойдемся во мнениях довольно неспециализированного расстояния в пространственно-временном континууме между концом парада и началом. Это достаточно тяжело наглядно растолковать, потому, что мы не могут видеть четыре измерения, но уравнения в теории Эйнштейна это подтверждают.
Однако, это не окончательное слово Грина в этом вопросе. на данный момент физики выдвигают догадку, что «поле Хиггса», наделяющее частицы массой, пронизывает всю вселенную. Тогда как пространственно-временной континуум Эйнштейна может служить системой координат, довольно которой возможно измерять ускорение, теория поля Хиггса идет еще дальше: наделяя сопротивлением все то, что это поле пронизывает, оно может растолковать, откуда у объектов берется инерция.
Еще одну занимательную теорию выдвинул Пол Дэвис (Paul Davies), физик из национального университета Аризоны, предположивший, что «безлюдное» пространство в действительности подобно кипящей пене, складывающейся из субатомных частиц, каковые непрерывно образуются и исчезают. С его точки зрения, эта «шалость вакуума» может служить заменой полному пространству.
Прошло уже более трех столетий, а вопросы, вызванные вращающимся ведром Ньютона — касающиеся движения и пространства, массы и инерции — волнуют философов и физиков. Что-то заставляет воду подниматься у краев ведра, но есть ли это следствием структуры пространственно-временного континуума, поля Хиггса либо некой квантовой пены, пока остается тайной.
