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.
