Ізотропність простору — це одна з фундаментальних властивостей Всесвіту

Найбільш фундаментальна форма існування матерії у Всесвіті — просторово-часовий континуум — має набір властивостей, що визначають вигляд нашого світу і загальний характер процесів, що протікають у ньому. До числа таких основоположних категорій належать однорідність і ізотропність простору. Це властивості, з яких, як ми побачимо нижче, випливають найважливіші для пізнання Всесвіту слідства.

Поняття про однорідність і ізотропність

Однорідність означає відсутність у 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, і паралельне перенесення будь-якої замкнутої фізичної системи ніяк не позначиться на її функціонуванні.

Ізотропністю простору називають відсутність у ньому виділених, особливих напрямків. Яку б орієнтацію в просторі ми не обрали, на який би кут не 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 у ньютонівській фізиці

Однорідність і ізотропність простору — це ключові поняття класичної механіки Галілея і Ньютона. Простір в рамках цього вчення мислився нескінченним, плоским, однорідним, ізотропним і абсолютним, тобто абсолютно байдужим до розподілу матерії в нім. Простір покладався існуючим тільки в якості якогось місця, де розташовані фізичні тіла, що взаємодіють між собою — але не зі своїм «вмістилищем». Такий простір міг служити ідеальною, незалежною ні від чого інерціальною системою відліку.

Що стосується часу, то його ньютонівська концепція визначає час також як якусь самостійну, абсолютну категорію, що відноситься виключно до тривалості різних процесів. Час у ньютонівському розумінні рівномірний і синхронний для всього Всесвіту, він відокремлений від матерії, від рухомих тіл.

Про властивості часу

Необхідно сказати ще кілька слів про час. Оскільки час одномірний, він може мати два рівноправних напрямки — це означало б його повну обратимість, а значить, абсолютну ізотропність і простору, і часу. Однак за деякими особливими винятками, що відносяться до явищ у світі елементарних частинок, ми не спостерігаємо в природі звернених процесів. Всесвіт еволюціонує в одному напрямку, заданому так званою «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 немає виділених моментів (всі точки на осі часу рівноправні), не є ізотропним.

Однорідність і ізотропність простору-часу

Спеціальна теорія відносності показала, що простір і час не абсолютні і не відокремлені один від одного, а є тісно взаємопов’язаними категоріями, що беруть участь у русі матерії. Простір-час являє собою чотиримірний континуум — топологічне різноманіття, точками якого є не місця розташування і моменти окремо і незалежно один від одного, а події, що визначаються чотирма координатами в конкретній системі відліку.

Загальна теорія відносності доповнила уявлення про простір-час, 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 ізотропність простору. Це, однак, не так. У чотиримірному континуумі немає виділених подій, всі вони рівноправні по відношенню до законів природи, тому простір-час однорідний. У певному сенсі можна говорити і про своєрідну ізотропію континууму, оскільки час у ньому тісно пов’язаний з простором. Але термодинамічна «стріла часу» накладає досить жорстке (хоча і ймовірнісне за характером) обмеження на ізотропність часу.

Ізотропія як вияв симетрії

Так само, як і однорідність, ізотропність простору — це відображення симетрії, фундаментальної властивості, властивої основним законам Всесвіту. Симетрія, або інваріантність в широкому, фізичному сенсі означає, що характеризуючі систему параметри не змінюються після того, як дана система зазнала певних перетворень. Так, однорідність є прояв трансляційної симетрії.

Існує також обертальна інваріантність, або симетрія повороту, якою підпорядковується простір. Саме вона проявляється у формі ізотропності.

Симетрія і закони збереження

Всі симетрії пов’язані з законами (іноді навіть говорять про принципи — загальні закономірності) 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 відносно будь-якої обраної вісі. Можна говорити також про прямолінійний рух системи повз довільну точку. Відносно неї наша система теж володіє кутовим моментом.

Часто виникаючий подив з приводу ізотропності (і однорідності) викликано зазвичай тим, що, спостерігаючи Всесвіт на будь-якому масштабі, ми бачимо, що речовина розподілена і рухається в ній вкрай неоднорідно 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 будинок або на якій висоті і в якій площині розташована орбіта супутника.