Найбільш фундаментальна форма існування матерії у Всесвіті – просторово-часовий континуум – володіє набором властивостей, що визначають вигляд нашого світу і загальний характер протікають у ньому процесів. До числа таких основоположних категорій відносяться однорідність і ізотропності простору. Це властивості, з яких, як ми побачимо нижче, випливають найважливіші для пізнання Всесвіту слідства.
Поняття про однорідність і ізотропності
Однорідність означає відсутність в просторі виділених точок. Всі місця розташування однакові і рівноправні по відношенню до дії законів природи, і останні не змінюються при переході (трансляції) з однієї точки в іншу. Тобто, в просторі Всесвіту на всьому його протязі діють одні і ті ж закони, що і паралельний перенесення будь-якої замкненої фізичної системи ніяк не позначиться на її функціонуванні.
Изотропностью простору називають відсутність в ньому виділених, особливих напрямків. Яку б орієнтацію в просторі ми не обрали, на який кут ні повертали систему відліку, закони природи не змінять своєї дії – всі напрямки рівноправні. Жодна зміна орієнтації замкнутої системи не може вплинути на її властивості.
Простір і час в ньютонівської фізики
Однорідність і ізотропності простору – це ключові поняття класичної механіки Галілея і Ньютона. Простір у рамках цього вчення мислилося нескінченним, плоским, однорідним, ізотропним і абсолютним, тобто абсолютно байдужим до розподілу матерії у ньому. Простір належало існуючим тільки в якості якогось місця, де розташовані фізичні тіла, що взаємодіють між собою – але не зі своїм «вмістилищем». Таке простір могло служити ідеальною, незалежної ні від чого інерціальною системою відліку.
Що стосується часу, то його ньютоновская концепція визначає час також як якусь самостійну, абсолютну категорію, що відноситься виключно до тривалості різних процесів. Час в ньютонівському розумінні рівномірно і синхронно для всієї Всесвіту, воно відокремлене від матерії, від рухомих тел.
Про властивості часу
Необхідно сказати ще кілька слів про часу. Оскільки час одновимірно, воно може мати два рівноправних напрямки – це означало б його повну оборотність, а отже, абсолютну і ізотропності простору і часу. Однак за деякими особливими винятками, відносяться до явищ у світі елементарних частинок, ми не спостерігаємо в природі оборотних процесів. Всесвіт еволюціонує в одному напрямі, заданому так званої «стрілою часу». Це поняття пов’язане з термодинамікою Всесвіту як замкнутої системи, що мала певні початкові умови розвитку.
Час, таким чином, будучи однорідним, оскільки в ньому не є виділених моментів (всі точки на осі часу рівноправні), не є ізотропним.
Однорідність і ізотропності простору-часу
Спеціальна теорія відносності показала, що простір і час не абсолютні і не відокремлені один від одного, а являють собою тісно взаємопов’язані категорії, що беруть участь у русі матерії. Простір-час являє собою чотиривимірний континуум – топологічне різноманіття, точками якого є не місцеположення і моменти окремо і незалежно один від одного, а події, які визначаються чотирма координатами в конкретній системі відліку.
Загальна теорія відносності доповнила уявлення про простір-часу, розглядаючи його як об’єкт, тісно пов’язаний з розподілом і поведінкою рухомих мас матерії – речовини і полів. Може здатися, що таке розуміння суперечить тезі про ізотропності простору. Це, однак, не так. В чотиривимірному континуумі немає виділених подій, всі вони рівноправні по відношенню до законів природи, тому простір-час однорідне. У певному сенсі можна говорити і про своєрідну ізотропія континууму, так як у ньому тісно пов’язане з простором. Але термодинамічна «стріла часу» накладає досить жорстке (хоча і імовірнісну за характером) обмеження на ізотропності часу.
Ізотропія як прояв симетрії
Так само, як і однорідність, ізотропності простору – це відображення симетрії, фундаментального властивості, притаманного основним законам Всесвіту. Симетрія, або інваріантність широкому, фізичному сенсі означає, що характеризують систему параметри не змінюються після того, як ця система зазнала певні перетворення. Так, однорідність є прояв трансляційної симетрії.
Існує також обертальна інваріантність, чи симетрія повороту, якій підпорядковується простір. Саме вона проявляється в формі ізотропності.
Симетрія і закони збереження
Всі симетрії пов’язані з законами (іноді навіть говорять про засади – загальних закономірностях) збереження. Наприклад, однорідність часу, тобто незалежність від моменту, в який існує фізична система, тягне за собою принцип збереження енергії, однорідність простору – закон збереження імпульсу (кількості руху).
Наслідком ізотропності простору є закон збереження моменту кількості руху (кутового, або кінетичного моменту). Це означає, що кількість обертального руху замкнутої системи байдуже до кута її повороту щодо будь-якої обраної осі. Можна говорити також про прямолінійному русі системи повз довільної точки. Щодо неї наша система теж має кутовим моментом.
Часто виникає подив з приводу ізотропності (і однорідності) зазвичай викликано тим, що, спостерігаючи Всесвіт на будь-якому масштабі, ми бачимо, що речовина розподілено і рухається в ній вкрай неоднорідний і в різних точках і в різних напрямках. Щоб розсіяти подив, досить уявити собі, що далека галактика перемістилася або що ми прибрали вазу зі столу – адже після цього в тому напрямку закони фізики не перестали виконуватися. Точно так само вони будуть працювати незалежно від того, чи проїде автомобіль повз будинки чи на якій висоті і в якій площині розташована орбіта супутника.
