Изотропность пространства — это одно из фундаментальных свойств Вселенной
Наиболее фундаментальная форма существования материи во Вселенной – пространственно-временной континуум – обладает набором свойств, определяющих облик нашего мира и общий характер протекающих в нем процессов. К числу таких основополагающих категорий относятся однородность и изотропность пространства. Это свойства, из которых, как мы увидим ниже, вытекают важнейшие для познания Вселенной следствия.
Понятие об однородности и изотропности
Однородность означает отсутствие в пространстве выделенных точек. Все местоположения одинаковы и равноправны по отношению к действию законов природы, и последние не изменяются при переходе (трансляции) из одной точки в другую. То есть, в пространстве Вселенной на всем его протяжении действуют одни и те же законы, и параллельный перенос любой замкнутой физической системы никак не отразится на ее функционировании.
Изотропностью пространства называют отсутствие в нем выделенных, особых направлений. Какую бы ориентацию в пространстве мы ни избрали, на какой бы угол ни поворачивали систему отсчета, законы природы не изменят своего действия – все направления равноправны. Никакое изменение ориентации замкнутой системы не может повлиять на ее свойства.
Пространство и время в ньютоновской физике
Однородность и изотропность пространства – это ключевые понятия классической механики Галилея и Ньютона. Пространство в рамках этого учения мыслилось бесконечным, плоским, однородным, изотропным и абсолютным, то есть совершенно безразличным к распределению материи в нем. Пространство полагалось существующим только в качестве некоего места, где расположены физические тела, взаимодействующие между собой – но не со своим «вместилищем». Такое пространство могло служить идеальной, независимой ни от чего инерциальной системой отсчета.
Что касается времени, то его ньютоновская концепция определяет время также как некую самостоятельную, абсолютную категорию, относящуюся исключительно к длительности различных процессов. Время в ньютоновском понимании равномерно и синхронно для всей Вселенной, оно отделено от материи, от движущихся тел.
О свойствах времени
Необходимо сказать еще несколько слов о времени. Поскольку время одномерно, оно может иметь два равноправных направления – это означало бы его полную обратимость, а значит, абсолютную изотропность и пространства, и времени. Однако за некоторыми особыми исключениями, относящимися к явлениям в мире элементарных частиц, мы не наблюдаем в природе обратимых процессов. Вселенная эволюционирует в одном направлении, заданном так называемой «стрелой времени». Это понятие связано с термодинамикой Вселенной как замкнутой системы, имевшей определенные начальные условия развития.
Время, таким образом, будучи однородным, поскольку в нем не имеется выделенных моментов (все точки на оси времени равноправны), не является изотропным.
Однородность и изотропность пространства-времени
Специальная теория относительности показала, что пространство и время не абсолютны и не отделены друг от друга, а представляют собой тесно взаимосвязанные категории, участвующие в движении материи. Пространство-время представляет собой четырехмерный континуум – топологическое многообразие, точками которого являются не местоположения и моменты отдельно и независимо друг от друга, а события, определяемые четырьмя координатами в конкретной системе отсчета.
Общая теория относительности дополнила представления о пространстве-времени, рассматривая его как объект, тесно связанный с распределением и поведением движущихся масс материи – вещества и полей. Может показаться, что такое понимание противоречит тезису об изотропности пространства. Это, однако, не так. В четырехмерном континууме нет выделенных событий, все они равноправны по отношению к законам природы, поэтому пространство-время однородно. В некотором смысле можно говорить и о своеобразной изотропии континуума, так как время в нем тесно увязано с пространством. Но термодинамическая «стрела времени» накладывает весьма жесткое (хотя и вероятностное по характеру) ограничение на изотропность времени.
Изотропия как проявление симметрии
Так же, как и однородность, изотропность пространства – это отражение симметрии, фундаментального свойства, присущего основным законам Вселенной. Симметрия, или инвариантность в широком, физическом смысле означает, что характеризующие систему параметры не меняются после того, как данная система претерпела определенные преобразования. Так, однородность есть проявление трансляционной симметрии.
Существует также вращательная инвариантность, или симметрия поворота, которой подчиняется пространство. Именно она проявляется в форме изотропности.
Симметрия и законы сохранения
Все симметрии связаны с законами (иногда даже говорят о принципах – всеобщих закономерностях) сохранения. Например, однородность времени, то есть независимость от момента, в который существует физическая система, влечет за собой принцип сохранения энергии, однородность пространства – закон сохранения импульса (количества движения).
Следствием изотропности пространства является закон сохранения момента количества движения (углового, или кинетического момента). Это значит, что количество вращательного движения замкнутой системы безразлично к углу ее поворота относительно любой выбранной оси. Можно говорить также о прямолинейном движении системы мимо произвольной точки. Относительно нее наша система тоже обладает угловым моментом.
Часто возникающее недоумение по поводу изотропности (и однородности) вызвано обычно тем, что, наблюдая Вселенную на любом масштабе, мы видим, что вещество распределено и движется в ней крайне неоднородно и в различных точках, и в различных направлениях. Чтобы рассеять недоумение, достаточно представить себе, что далекая галактика переместилась или что мы убрали вазу со стола – ведь после этого в том направлении законы физики не перестали выполняться. Точно так же они будут работать независимо от того, проедет ли автомобиль мимо дома или на какой высоте и в какой плоскости расположена орбита спутника.
Источник
Изотропна ли Вселенная?
Изотропна ли Вселенная?
Поскольку пространство и время являются формами существования материи, то их свойства во многом зависят от того, каким образом распределены в них различные материальные объекты. До сравнительно недавнего времени одним из основных положений науки о Вселенной считалось представление об ее «однородности» и «изотропии».
Что касается однородности, то это означает, что свойства достаточно больших по масштабам областей Вселенной в основных чертах одинаковы. И все наблюдательные данные, которые имелись в распоряжении астрономической науки, подобному представлению не противоречили. В частности, вывод об однородности Вселенной в больших масштабах не опровергался и обнаружением ее «сотового» строения и открытием гигантских космических «пустот», свободных от галактик. Дело в том, что размеры подобных «пустот» не идут ни в какое сравнение с размерами Метагалактики, то есть той области пространства, которая охвачена современными наблюдениями.
При существующих методах астрономических исследований, включая космический телескоп Хаббла, «горизонт видимости» равен примерно 12-16 миллиардам световых лет. Поскольку никакие «обычные» физические взаимодействия не могут распространяться в пространстве со скоростью, превосходящей скорость света, то доступная наблюдениям область Вселенной – конечна и всегда такой и будет оставаться. Мы не можем видеть объекты, расположенные от нас на таких расстояниях, которые световой луч не успевает преодолеть за время существования Вселенной.. Поэтому «горизонт видимости» мы не можем раздвинуть никакими техническими ухищрениями – хотя по мере старения Вселенной он, разумеется, постепенно отодвигается.
В ограниченной им области пространства можно разместить примерно около 1000 «ячеек», для каждой из которых характерна однородность.
Несколько сложнее обстоит дело с «изотропией», то есть одинаковостью свойств по любым направлениям. Во второй половине XX столетия были получены неожиданные данные, которые, возможно, заставят пересмотреть представления, существовавшие на этот счет ранее. Речь идет о наблюдениях так называемых двойных радиоисточников – радиогалактик, каждая из которых состоит из двух связанных между собой радиокомпонентов. Таких радиоисточников зафиксировано довольно много, и они распределены по всей небесной сфере. Английский астроном П. Берч на радиотелескопе обсерватории Джодрелл Бэнк изучил около сотни таких радиогалактик, расположенных как в Северном, так и в Южном полушариях неба.
Известно, что электромагнитные волны, в том числе и радиоволны, в отличие, например, от звуковых волн – поперечные. Если у звуковой волны направление колебаний совпадает с направлением распространения волны, то у электромагнитных волн оно перпендикулярно этому направлению. Если к тому же поперечные колебания происходят в одной плоскости, то электромагнитная волна называется «линейно-поляризованной», а плоскость, перпендикулярная плоскости колебаний, называется плоскостью поляризации.
В процессе наблюдений Берч измерял угол между линией, соединяющей компоненты двойных радиоисточников, и направлением плоскости поляризации радиоизлучения. И обнаружил удивительный факт: оказалось, что у радиоисточников, расположенных в одной полусфере неба, этот угол имеет один знак, а у радиоисточников, расположенных в другой полусфере – противоположный.
Попутно был обнаружен еще один интересный факт: оказалось, что газовые перемычки, связывающие друг с другом компоненты двойных радиоисточников, в одной полусфере неба изогнуты в одну сторону, а в другой – в противоположную.
Поскольку этим неожиданным фактам разумного объяснения не находилось, астрофизики решили проверить, не являются ли полученные ими результаты следствием воздействия каких-либо неучтенных побочных обстоятельств.
Иными словами, исследователи попытались убедиться в том, что обнаруженные ими явления реальны. В частности, возникло предположение, что побочное влияние на полученные результаты мог оказать так называемый эффект Фарадея – эффект вращения плоскости поляризации электромагнитного излучения под воздействием внешнего магнитного поля. Ученые стали выяснять, не вызваны ли обнаруженные различия свойств двойных радиоисточников, расположенных в противоположных областях небесной сферы, влиянием магнитного поля нашей Галактики? Однако самая тщательная проверка подобную возможность не подтвердила.
Оставалось предположить, что обнаруженное различие в свойствах двойных радиоисточников носит внегалактический характер и, следовательно, породившая это явление причина кроется в самых общих закономерностях нашей Вселенной.
Был обнаружен и еще один довольно любопытный факт. Дело в том, что все двойные радиоисточники вращаются вокруг собственных осей. И оказалось, что эти оси имеют некое преимущественное направление в пространстве.
Если результаты наблюдений, о которых идет речь, подтвердятся, то это послужит серьезным поводом для того, чтобы предположить – не обладает ли наша Вселенная какими-то весьма общими свойствами, которые нарушают ее изотропию. Одним из таких свойств могло бы явиться вращение Вселенной с угловой скоростью, обеспечивающей один полный оборот за 100 триллионов лет…
В этой связи небезынтересно отметить, что в свое время советский астрофизик P.M. Мурадян разработал оригинальную гипотезу, согласно которой наша Метагалактика произошла в результате взрыва сверхмассивного суперадрона с массой порядка 10 58 г – элементарной частицы, принимающей участие в так называемых сильных взаимодействиях. В результате распада этого суперадрона на более мелкие адроны образовались протоскопления галактик, а последующие распады на адроны еще меньшей массы привели к формированию отдельных галактик. Если гипотеза Мурадяна верна, то Метагалактика как раз должна обладать собственным вращением.
Правда, стоит подчеркнуть, что такое вращение является лишь необходимым, но еще недостаточным условием справедливости гипотезы Мурадяна, то есть предложенного им физического механизма образования галактик. Поэтому вращение Метагалактики само по себе еще не может служить доказательством того, что его гипотеза верна. Однако возможность объяснения тех фактов, которые были обнаружены при наблюдениях двойных радиоисточников, вращением нашей Вселенной заставляет об этой гипотезе, по крайней мере, вспомнить.
Справедливость требует заметить, что после публикаций Берча в научной печати появлялись сообщения, авторы которых подвергали результаты его наблюдений сомнениям. Но сам Берч продолжал настаивать на их обоснованности.
Впрочем, в возникшей дискуссии нет ничего удивительного или необычного. Все новые научные результаты, способные заметно повлиять на существующие фундаментальные представления о мироздании, всесторонне обсуждаются. И это вполне справедливо.
Поэтому и факты, которые ставят под сомнение отсутствие во Вселенной изотропии, также нуждаются в многократной тщательной проверке. Но если они подтвердятся – это будет иметь огромное значение для всего естествознания.
Читайте также
7. ВСЕЛЕННАЯ КАК ВСЕЕДИНСТВО
7. ВСЕЛЕННАЯ КАК ВСЕЕДИНСТВО Возьмем основные категории пространства, времени и причинности. Время трансцендирует непрерывно в будущее и в прошлое. Первый транс освобождает от каждого момента («ничего, пройдет!»), но никогда не освобождает от времени: он делает все
Наша Вселенная
Наша Вселенная Сегодня под Вселенной мы понимаем не весь материальный мир, а ту его часть, которая выделена в процессе практической и познавательной деятельности человека. В принципе за пределами нашей Вселенной может находиться бесчисленное множество других
Нестационарная Вселенная
Нестационарная Вселенная Было время, когда казалось, что космические объекты, составляющие население нашей Вселенной, почти не изменяются с течением времени, постепенно переходя от одного стационарного состояния к другому стационарному состоянию. Однако с появлением
Вселенная из… «ничего»
Вселенная из… «ничего» Идея, согласно которой «из ничего не родится ничто», возникла еще в V веке до н. э. в эпоху Парменидов. И оказалась одной из самых устойчивых идей, которая прошла через столетия и сохранялась в естествознании в неизменном виде почти до самого
Фрактальная Вселенная
Фрактальная Вселенная До начала 80-х годов XX столетия в астрофизике господствовало представление о расширяющейся однородной и изотропной Вселенной, то есть о такой Вселенной, основные свойства которой приблизительно одинаковы для достаточно больших областей
6.1. Биофилическая вселенная?
6.1. Биофилическая вселенная? Если когда?нибудь нам удастся установить контакт с разумными инопланетянами — как мы преодолеем «культурную пропасть»? Одним из вариантов общей культуры для нас могла бы стать физика и космология. Иная разумная жизнь будет, как и мы, состоять
Живая Вселенная
Живая Вселенная В предыдущей части, я сделал попытку описать понятие «жизнь», через понимание того, как развилась Вселенная от простых вещей, к вещам более сложным. Здесь, я хочу посмотреть на это явление, более широким образом, как фундаментальную особенность самой
Что такое Вселенная?
Что такое Вселенная? По мнению некоторых теоретиков, новейшие достижения в математике относительности предсказываю, что через черные дыры в нашей Вселенной можно попадать в другие Вселенные. Откуда мы знаем, что это возможно? Был ли кто-нибудь в действительности в другой
36. Самоотражающая Вселенная
36. Самоотражающая Вселенная Ничто не может долго оставаться удаленным от Бога, равно как и отделенным от той Основы Бытия, вне которой не существует ничто… Кен Уилбер в книге «Вверх из рая» Создатель квантовой или волновой механики Эрвин Шрёдингер говорил, что природа,
Так покорится нам Вселенная…
Так покорится нам Вселенная… Что на практике означает прочность, в миллионы раз превышающая удельную прочность такого обыкновенного вещества, как скажем, легированная сталь? Это, например, возможность создания компактных, абсолютно безопасных термоядерных
Глава 9 Пространство и время. Вселенная 1 и вселенная 2. Источник жизни 1 и источник жизни 2. Творец. Защитные механизмы вселенной
Глава 9 Пространство и время. Вселенная 1 и вселенная 2. Источник жизни 1 и источник жизни 2. Творец. Защитные механизмы вселенной Человек – мера всех вещей Протагор Данную главу нам необходимо начать со слов американского физика австрийского происхождения Фритьофа
Источник