Симметрия пространства и времени и законы сохранения

Пространство и время — это общие формы существования материи, а именно формы координации материальных объектов и явлений. Пространство есть форма координации различных сосуществующих объектов и явлений, заключающаяся в том, что последние определенным образом расположены друг относительно друга. Время есть общая форма координации явлений, сменяющих друг друга состояний материальных объектов. Отличительная характеристика пространства — протяженность. Отличительная характеристика времени — длительность.

В философии и науке существовали две основные концепции пространства и времени: субстанциональная и атрибутивная.

Согласно субстанциональной концепции пространство и время — это независимые от материальных тел сущности, которые обладают собственным бытием. В древности такого взгляда придерживался Демокрит, в Новое время — Ньютон.

Согласно атрибутивной концепции пространство и время понимаются как свойства материальных объектов. Поэтому в рамках этой концепции категории «пространство» и «время» без учета материи не имеют смысла. В древности такая позиция была близка Аристотелю и Августину. Атрибутивная концепция согласуется с современными представлениями ученых, в том числи с общей теорией относительности.
Симметрии пространства и времени. Пространство однородно, т. е. все точки пространства эквивалентны и ни одна из них не выделена среди других. Это означает, что свойства изолированной физической системы не меняются при пространственном переносе. Пространство изотропно. Изотропность означает инвариантность относительно изменения направления, т. е. все направления в пространстве равноправны, среди них нет выделенных. Это означает, что свойства изолированной физической системы не меняются при повороте на заданный угол относительно любой произвольно выбранной оси вращения. Время однородно, т. е. все моменты времени равноправны. Это значит, что свойства изолированной физической системы не зависят от времени. Поэтому законы физики, справедливые для настоящего времени, будут также выполняться и в будущем. Время анизотропнот. е. необратимо: будущее всегда отличается от прошлого. Например, многие видели, как в процессе горения дерево превращается в золу, но никому не приходилось наблюдать обратный процесс.

Анизотропность, или необратимость, времени является примером нарушения симметрии. Необратимость времени означает различие между прошлым и будущим и невозможность реконструкции прошлого.

Самыми общими законами естествознания являются законы сохранения. Даже такие фундаментальные законы естествознания, как законы Ньютона, являются производными от законов сохранения. Ответ на естественный вопрос «почему справедливы законы сохранения?» был получен сравнительно недавно. В 1918 г. математик Э. Нётер доказала теорему, согласно которой законы сохранения возникают в системах при наличии у них определенных видов симметрии. Законы сохранения связаны с существованием таких преобразований, которые оставляют неизменными любую систему. К ним относятся:

- закон сохранения энергии, являющийся следствием симметрии или однородности времени;

- закон сохранения импульса, являющийся следствием симметрии или однородности пространства;

- закон сохранения момента импульса, являющийся следствием симметрии или изотропности пространства.

Значение законов сохранения. Законы сохранения являются краеугольным камнем современного естественнонаучного представления о природе. Любая новая теория или концепция, любой закон, который претендует на статус естественнонаучного, обязательно должен согласовываться с законами сохранения. Если этого нет и в формулировке какого-либо положения содержатся утверждения, противоречащие законам сохранения, то одного этого достаточно, чтобы поставить под сомнение научный статус этого утверждения. В частности, с законом сохранения энергии не согласуется представление о возможности создания так называемого вечного двигателя, т. е. устройства, предназначенного для совершения работы, превосходящей количество затрачиваемой энергии.