Пространство-время теории Ньютона

Абсолютное пространство — в классической механике — трёхмерное евклидово пространство, в котором выполняется принцип относительности при преобразованиях Галилея.

Термин введён Ньютоном (вместе с концепцией абсолютного времени) в «Математических началах натуральной философии». Пространство и время у него выступают в качестве универсального вместилища, обладающего отношениями порядка и существующие независимо как друг от друга, так и материальных тел:

…время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени всё располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения. По самой своей сущности они суть места, приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то места и суть места абсолютные, и только перемещения из этих мест составляют абсолютные движения^[1].

Вместе с тем Ньютон отмечает нечёткость обыденной терминологии:

Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. …эти понятия обыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведённые понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные^[2].

В качестве такого математического понятия Ньютон ввёл выделенную инерциальную систему отсчёта, относительно которой и происходит абсолютное движение, не считая её физической реалией, но говоря о возможности привязки к каким-либо «неизменным» объектам — например, к неподвижным звёздам.

Математическая модель

В отличие от пространства и времени Аристотеля, пространство-время Ньютона уже нельзя воспринимать как канонически отождествлённое с ${\displaystyle \mathbb {E} ^{3}\times \mathbb {E} ^{1}}$. В первую очередь это связано с отсутствием в теории Ньютона понятия абсолютного движения. Например, если вы находитесь в инерциальной системе отсчёта, то никакими опытами не сможете выяснить, движется ли она равномерно и прямолинейно относительно какой-либо другой ИСО или нет. Поэтому невозможно установить соответствие между точкой пространства, в которой вы находитесь в данный момент времени, и точкой пространства из прошлого. Поскольку теория Ньютона допускает существование сколь угодно больших скоростей, каждой точке пространства в момент времени ${\displaystyle t_{1}}$ может соответствовать любая точка пространства в момент времени ${\displaystyle t\neq t_{1}}$. Поэтому каждому моменту времени можно поставить в соответствие «своё» пространство. Таким образом, пространство-время Ньютона — это расслоённое пространство с базой ${\displaystyle \mathbb {E} ^{1}}$, представляющей абсолютное время, и слоем ${\displaystyle \mathbb {E} ^{3}}$, представляющим относительное пространство^[3]. Всякое такое расслоение допускает тривиализацию (то есть выбор изоморфизма с декартовым произведением ${\displaystyle \mathbb {E} ^{3}\times \mathbb {E} ^{1}}$, однако всякий такой выбор произволен и ничуть не лучше любого другого. Это и есть выбор системы отсчёта. Выбор системы отсчёта можно трактовать как выбор плоской аффинной связности (определяющей, грубо говоря, как меняются координатные оси с течением времени) на тотальном пространстве этого расслоения, удовлетворяющей некоторым естественным предположениям: например, на каждом слое она должна задавать стандартные параллельные переносы евклидова пространства. Таким образом, послойно эта связность не имеет кручения; вообще же говоря её кручение ненулевое. Это (2,1)-тензор, который однако полностью определяется результатом подстановки в него векторного поля ${\displaystyle \partial /\partial t}$. Соответствующий эндоморфизм касательного расслоения называется крутящим моментом, откуда дифференциально-геометрический термин «кручение».

Примечания

1. Ньютон, 1989, с. 32.
2. Ньютон, 1989, с. 30.
3. Роджер Пенроуз. Путь к реальности или законы, управляющие вселенной. Полный путеводитель = The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe / Перевод с английского А. Р. Логунова и Э. М. Эпштейна. — Ижевск: Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. — С. 334. — 912 с. — ISBN 978-5-93972-618-4.

Литература

• Исаак Ньютон. Математические начала натуральной философии = Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica / Перевод с латинского и комментарии А. Н. Крылова, предисловие Л. С. Полака. — М.: Наука, 1989. — ISBN 5-02-000747-1.