Прастора-час (прасторава-часавы кантынуум) — фізічнаямадэль, якая дапаўняепрастору раўнапраўным[заўв 1] часовым вымярэннем і такім чынам стварае тэарэтыка-фізічную канструкцыю, якая называецца прасторава-часовым кантынуумам. Прастора-час бесперапынна і з матэматычнага пункту гледжання ўяўляе сабой разнастайнасць з лорэнцавай метрыкай.
У нерэлятывісцкайкласічнай механіцы выкарыстаннеэўклідавай прасторы, якая не залежыць ад аднамернага часу, замест прасторы-часу дарэчы, так як час разглядаецца як ўсеагульны і нязменны, будучы незалежным ад стану руху назіральніка. У выпадку рэлятывісцкіх мадэляў час не можа быць аддзелена ад трох вымярэнняў прасторы, таму што назіранаяхуткасць, з якой цячэчас для аб’екта, залежыць ад яго хуткасці адносна назіральніка, а таксама ад сілыгравітацыйнага поля, якое можа запаволіць працягу часу.
Укасмалогіі і рэлятывісцкай фізіцы наогул канцэпцыя прасторы-часу аб’ядноўвае прастору і час у адзі абстрактныСусвет. Матэматычна яна з’яўляецца разнастайнасцю, якія складаюцца з «падзей», апісаныхсістэмай каардынат. Звычайна патрабуецца тры прасторавых вымярэнні (даўжыня, шырыня, вышыня) і адно часовае вымярэнне (час). Вымярэнні — гэта незалежныя складнікі каардынатнай сеткі, неабходныя для лакалізацыі кропкі ў пэўнай абмежаванай «прасторы». Напрыклад, наЗямлішырата ідаўгата — гэта дзве незалежныя каардынаты, якія разам адназначна вызначаюць становішча. У прасторы-часу каардынатная сетка, якая распасціраецца ў 3+1 вымярэннях, лакалізуе падзеі (замест проста кропкі ў прасторы), г. зн. час дадаецца як яшчэ адно вымярэнне ў каардынатнай сетцы. Такім чынам, каардынаты вызначаюць дзе і калі адбываюцца падзеі. Аднак адзіная прырода прасторы-часу і яго незалежнасць ад выбару каардынат дазваляюць выказаць здагадку, што каб выказаць часовую каардынату ў адной сістэме каардынат, неабходныя як часовая, так і прасторавая каардынаты ў іншай сістэме каардынат. У адрозненне ад звычайных прасторавых каардынат, у прасторы -часу ўзнікае паняццесветлавога конусу, які накладае абмежаванні на дапушчальныя каардынаты, калі адна з іх ўсюды павінна быць часовай. Гэтыя абмежаванні цвёрда звязаныя з асаблівай матэматычнай мадэллю, якая адрозніваецца ад эўклідавай прасторы з яе відавочнай сіметрыяй.
У адпаведнасці з тэорыяй адноснасці,Сусвет мае тры прасторавых вымярэнні і адно часовае вымярэнне, і ўсе чатыры вымярэнні арганічна звязаны ў адзінае цэлае, з’яўляючыся амаль раўнапраўнымі і ў пэўных рамках (гл. нататкі ніжэй) здольнымі пераходзіць адно ў адно пры змене назіральнікам сістэмы адліку.
У рамкахагульнай тэорыі адноснасці прастора-час мае і адзіную дынамічную прыроду, а яго ўзаемадзеянне з усімі астатнімі фізічнымі аб’ектамі (целамі, палямі) і ёсцьгравітацыя. Такім чынам, тэорыя гравітацыі ў рамках АТА і іншых метрычных тэорый гравітацыі ёсць тэорыя прасторы-часу, які лічыцца не плоскім, а здольным дынамічна змяняць сваю крывізну.
Да пачатку XX стагоддзя час лічыўся незалежным ад стану руху, які праходзіць з пастаяннай хуткасцю ва ўсіх сістэмах адліку; аднак затым эксперыменты паказалі, што час запавольваецца пры вялікіх хуткасцях адной сістэмы адліку адносна іншага. Гэта запаволенне, названаерэлятывісцкім запаволеннем часу, тлумачыцца ўспецыяльнай тэорыі адноснасці. Запаволенне часу пацвердзілі шматлікія эксперыменты, такія як рэлятывісцкае запаволенне распадумюонаў ў патокукасмічных прамянёў і запаволенне атамнага гадзінніка на борце касмічнага чоўна, ракеты ісамалётаў адносна устаноўленага на Зямлі гадзінніка. Працягласць часу таму можа мяняцца ў залежнасці ад падзей і сістэмы адліку.
Тэрмін прастора-час атрымаў шырокае распаўсюджванне далёка за межамі трактоўкі прасторы-часу з нармальнымі 3+1 вымярэннямі. Гэта сапраўды злучэнне прасторы і часу. Іншыя прапанаваныя тэорыі прасторы-часу ўключаюць дадатковыя вымярэнні, звычайна прасторавыя, але існуюць некаторыя абстрактныя тэорыі, якія ўключаюць дадатковыя часовыя вымярэнні, і нават такія, якія ўключаюць вымярэнні, якія не з’яўляюцца ні часовымі, ні прасторавымі (напрыклад,суперпрастора). Колькі вымярэнняў неабходна для апісання Сусвету — гэтае пытанне да гэтага часу адкрытае. Абстрактныя тэорыі, такія яктэорыя струн, прадказваюць 10 або 26 вымярэнняў (зМ-тэорыяй, якая прадказвае 11 вымярэнняў: 10 прасторавых і 1 часовае), але існаванне больш за чатыры вымярэнняў мела б значэнне толькі на субатамныя узроўні.
Першы разгорнуты варыянт мадэлі натуральнага аб’яднання прасторы і часу,прастора Мінкоўскага, быў створаныГерманам Мінкоўскага ў1908 годзе[1] на асновеспецыяльнай тэорыі адноснасціЭйнштэйна, а некалькі раней (ў1905 годзе), ключавое прасоўванне на гэтым шляху зрабіўАнры Пуанкарэ, які заклаў асновы чатырохмернага прасторава-часовага фармалізму.
Канцэпцыю прасторы-часу дапускае ікласічная механіка[2], але ў ёй гэта аб’яднанне штучна, так як прастора-час класічнай механікі —прамы здабытак прасторы на час, г. зн. прастора і час незалежныя адзін ад аднаго. Аднак ужокласічная электрадынаміка патрабуе пры змене сістэмы адліку пераўтварэнняў каардынат, якія ўключаюць час «нароўні» з прасторавымі каардынатамі (т. зв. пераўтварэнняў Лорэнца), калі жадаць, каб ураўненні электрадынамікі мелі аднолькавы выгляд у любой інерцыяльнай сістэме адліку. Непасрэдна назіраныя часавыя характарыстыкі электрамагнітных працэсаў (перыяды ваганняў, часы распаўсюджванняэлектрамагнітных хваль і т. п.) ужо ў класічнай электрадынаміцы аказваюцца такімі, што залежаць ад сістэмы адліку (ці, інакш кажучы, ад адноснага руху назіральніка і аб’екта назірання), гэта значыць аказваюцца не «абсалютнымі», а пэўным чынам звязанымі з прасторавым рухам і нават становішчам у прасторы сістэмы адліку, што і з’явілася першым штуршком для фарміравання сучаснай фізічнай канцэпцыі адзінай прасторы-часу.
Ключавым матэматычным адзнакай прасторы-часу (прасторы Мінкоўскага, або, у выпадкуагульнай тэорыі адноснасці — чатырохмернай разнастайнасці з лорэнцавай метрыкай) ад звычайнага эўклідавай 4-мернай прасторы з’яўляецца тое, што пры вылічэнні адлегласці (інтэрвалу) квадраты значэнняў рознасцей часу і даўжынь прасторавых каардынат бяруцца з процілеглымі знакамі (у звычайнай прасторы адпаведныя значэнні раўнапраўныя для любой восі каардынат і маюць аднолькавы знак). З гэтага вынікае наступнае: прамая паміж двума кропкамі гэтага кантынууму (пад прамой разумеецца рух па інерцыі) дае максімальную працягласць ўласнага часу (інтэрвалу). Для прасторавай жа даўжыні прамая — гэта мінімальная, а не максімальная велічыня.
У кантэксце тэорыі адноснасці час неаддзельна ад трох прасторавых вымярэнняў і залежыць ад хуткасці назіральніка[заўв 2] (гл.Уласны час).
Канцэпцыя прасторы-часу згуляла гістарычна ключавую ролю ў стварэнні геаметрычнай тэорыі гравітацыі. У рамках агульнай тэорыі адноснасці гравітацыйнае поле зводзіцца да праяў геаметрыі чатырохмернай прасторы-часу, якая ў гэтай тэорыі не з’яўляецца плоскім (гравітацыйны патэнцыял у ёй атаясамлены з метрыкай прасторы-часу).
Колькасць вымярэнняў, неабходных для апісанняСусвету, канчаткова не вызначана.Тэорыя струн (суперструн), напрыклад, патрабавала наяўнасці 10 (лічачы час), а цяпер нават 11 вымярэнняў (у рамкахМ-тэорыі). Мяркуецца, што дадатковыя (неназираемыя) 6 ці 7 вымярэнняў згорнутыя (кампактыфікаваныя) дапланкаўскіх памераў, так што эксперыментальна яны пакуль не могуць быць выяўленыя. Чакаецца, тым не менш, што гэтыя вымярэнні нейкім чынам праяўляюць сябе ў макраскапічным маштабе. У самым старым — базонным — варыянцетэорыя струн патрабуе 26-мерную ўсеабдымную прастору-часу; мяркуецца, што «лішнія» вымярэнні гэтай тэорыі таксама павінны або могуць быць кампактыфікаваныя спачатку да 10, зводзячыся такім чынам датэорыі суперструн, а пасля ўжо, як згадана тут крыху вышэй, да 4 звычайных вымярэнняў.
Існуе два выгляду размернасцей: прасторавая і часовая. Прасторавую размернасць пазначаюць літарай N, а часовую літарай Т. Прасторава-часовы кантынуум з памерам N=3 і Т=1 мае перавагу з пункту гледжанняантропнага прынцыпу.
- ↑Дакладней, амаль раўнапраўным: на самай справе практычна ў любой сучаснай фармулёўцы часовае вымярэнне захоўвае некаторы адрозненне ад прасторавых, хоць гэта часта замаскіравана. Гэта адрозненне выяўляецца перш за ўсё ў сігнатуры метрыкі прасторы-часу (глядзіцеПрастора Мінкоўскага).
- ↑Прытым, што фармальна пераход да рухаецца сістэме адліку аналагічны павароту восей ў прасторы Мінкоўскага (і гэта дае просты і кампактны спосаб пераліку рэальных фізічных велічынь, гэта значыць мае цалкам назіраныя нетрывіяльныя фізічныя следства!), тым не менш, як б не інтэрпрэтаваць гэтую фармальную аналогію з паваротам у звычайнай прасторы, на павароты ў прасторы-часу накладзеныя істотныя фізічныя абмежаванні, таксама вызначаюць абмежаванні аналогіі прасторы-часу з звычайным эўклідавай прасторай, хоць бы і чатырохмернай (гэта значыць якая апісваецца, у гэтай заўвазе — гэта яшчэ адзін бок якаснага адрознення прасторы-часу тэорыі адноснасці ад «проста» чатырохмернай прасторы). Так, у рамках спецыяльнай тэорыі адноснасці немагчымы, а ў рамках агульнай (дзе надзейны аналіз усіх складаных выпадкаў моцна абцяжараны) — вельмі сумнеўны, плаўны бесперапынны паварот руху назіральніка ў бок зваротнага руху па часе (тады як у звычайнй прасторы можна паварочваць ў любы бок).
- ↑Hermann Minkowski,«Raum und Zeit», 80. Versammlung Deutscher Naturforscher (Köln, 1908). Published in Physikalische Zeitschrift10 104—111 (1909) and Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung18 75-88 (1909).
- ↑Работы В. І. Арнольда, у прыватнасці, «Матэматычныя метады класічнай механікі».
| У іншым моўным раздзеле ёсць паўнейшы артыкулSpacetime(англ.) Вы можаце дапамагчы праекту, пашырыць цяперашні артыкул праз пераклад. |
