Философские вопросы научных представлений о пространстве и времени - Головко Н. В

относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояния относятся.

2. Каждый луч света, движущийся в «покоящейся» системе коор- динат с определенной скоростью V , независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом [Эйнштейн, 2000. С. 11–12].

Фактически Альберт Эйнштейн утверждал следующее. Во-первых, все уравнения, выражающие физические законы, имеют одинаковую форму во всех ИСО (принцип относительности, который обобщает на все законы природы инвариантность законов механики, как это было у Ньютона). Во-вторых, скорость света в пустоте является максимальной скоростью передачи информации и не зависит от скорости движения ИСО. Однако СТО можно построить не только исходя из этих соображений, но и бази- руясь на математическом обобщении пространства Евклида, предложен- ном в 1908 г. Герхардом Минковским [Розенталь, 1990]. Последний спо- соб предпочтительней, так как здесь более четко прослеживаются огра- ничения, которые СТО накладывает на интерпретацию принципа относи- тельности. Основное достоинство пространства Минковского – геометри- зация и наглядная преемственность в механике. Переход от механики Ньютона к СТО соответствует в геометрическом плане обобщению евк- лидова пространства. Анализируя его, мы рассчитываем обнаружить из- менение в интерпретации принципа относительности в том виде, в каком он используется в рамках механики Ньютона.

Пространство Минковского неевклидово, поэтому по аналогии с (6) запишем интервал или метрику, определяющую пространство Минков- ского:

или для конечных интервалов

Отметим, что в метрику (10) пространственные и временная коорди- наты входят с разным знаком и это различие принципиально неустрани- мо, что значительно существеннее, чем, например, изменение размерно- сти евклидова пространства. Пространство Евклида всегда выражается

положительной метрикой ds2 > 0 , пространство Минковского может ха- рактеризоваться метрикой обоих знаков ds2 >< 0 (в зависимости от

180

(cdt)2 ). Такая метрика, например, кардинально меняет наши представле-

ния о будущем и прошлом: если интервал положителен, то между двумя событиями возможна причинная связь, если отрицателен, то нет. Факти- чески вся плоскость (t, x) разбивается на конусы абсолютного будущего

и абсолютного прошлого для каждой точки, что является причиной, во- первых, конечности скорости света, а во-вторых, инвариантности интер- вала (10). Мы говорим, что метрика в форме (10) «объединяет» простран- ство и время, которые в рамках СТО образуют единый пространственно- временной континуум событий. Как отмечалось выше, именно в силу этого сама СТО есть физическая теория пространства и времени. Заме- тим, что если в (10) и (11) скорость c → ∞ , то эти формулы теряют смысл. Это означает «распад» 4-мерного псевдоевклидова пространства на 3-мерное пространство Евклида и одномерное время, что фактически возвращает нас в рамки механики Ньютона.

Мы уже отмечали, что для метрики (1), (4) в рамках механики Ньюто- на существуют преобразования (8) (преобразования Галилея), относи- тельно которых метрика инвариантна. Аналогично можно получить пре- образования, обобщающие наши представления о трансляциях и поворо- тах начала координат, сохраняющие метрику (10), (11). Это «преобразо- вания Лоренца», которые были независимо получены Х. А. Лоренцом (1904 г.), А. Пуанкаре (1900 г.), а еще раньше В. Фойхтом (1887 г.). При- ведем их в каноническом виде (предполагается, что другие координаты не изменяются; сам вывод можно найти, например, в работе [Головко, Симанов, Сторожук, 2003]):

Эти преобразования имеют смысл при V < c , при V << c они «превра- щаются» в преобразования Галилея.

Отметим, что преобразования Лоренца включают допущение о суще- ствовании систем отсчета, движущихся равномерно относительно друг друга и обладающих «несколько ограниченной» эквивалентностью. В данном случае «ограниченность» связана с предположением о неэквива- лентности «масштабов» пространственных и временных координат. В

качестве примера рассмотрим отрезок x = x1 − x2 . Нетрудно видеть, что

связь между длиной отрезка в «покоящейся» и «движущейся» координат- ных системах имеет следующий вид:

181

Аналогично для интервала времени t получим

Естественно, для малых скоростей эквивалентность систем отсчета вос- станавливается полностью. Поэтому системы отсчета, движущиеся рав- номерно относительно собственной системы отсчета, можно называть инерциальными. Именно в этом смысле мы говорим, что уравнения дви- жения сохраняются в различных ИСО. Отметим, что для собственной

системы отсчета пространство сохраняет свойства геометрии Евклида (однородность и изотропность).

Как и в случае механики Ньютона, о которой мы говорим, что ее пол-

ностью определяет принцип относительности с совокупностью свойств пространства Евклида, можно утверждать, что совокупность свойств про- странства Минковского «вместе» с принципом относительности полно- стью определяют механику СТО. Однако в последнем случае мы фикси- руем, что принцип относительности в очередной раз подвергся ограниче- нию: под «хорошими» системами отсчета мы теперь понимаем «ограни- ченно» эквивалентные ИСО.

Зададимся вопросом, существуют ли другие математические про- странства (кроме пространств Евклида и Минковского), в которых урав- нения движения аналогичны, например, уравнениям Ньютона или реля- тивистской механики. Предположим, мы хотим построить еще одно обобщение механики, а приведенный выше анализ показывает, что «хо- роший» путь обобщения – это, например, сохранение изотропности и од- нородности пространства, но в совокупности с «другими» физическими постулатами. Такие пространства существуют, это пространства с посто- янной кривизной (простейший пример – двумерная сфера). В таких про- странствах все точки равноправны, т. е. условия изотропности и однород- ности выполняются, следовательно, в них можно определить ИСО. По- стулируя принцип относительности для класса ИСО (как это сделал Нью- тон) либо добавив постулат об инвариантности скорости света (как это сделал Эйнштейн), можно вывести соответствующие уравнения движе- ния, которые будут аналогичны законам механики. Именно так и посту- пил А. Эйнштейн, переходя к общей теории относительности.

182

Принцип относительности в общей теории относительности

Сам Эйнштейн переход от СТО к ОТО описывает следующим образом:

Специальная теория относительности основана на идее, что опре- деленные системы координат (инерциальные системы) являются рав- ноправными для формулировки законов природы; к таким системам координат принадлежат те, в которых выполняются закон инерции и закон постоянства скорости света в пустоте. Но являются ли эти сис- темы координат на самом деле выделенными в природе, или же эта привилегированность возникает вследствие несовершенного понима- ния законов природы? Конечно, закон Галилея на первый взгляд выде- ляет инерциальные системы из всех других движущихся систем коор- динат. Но закон инерции обладает недостатком, который обесценивает этот аргумент.

Теперь представим себе часть пространства, свободную от дейст- вия сил в смысле классической механики, иными словами, достаточно удаленную от тяготеющих масс. Тогда в соответствии с механикой

существует инерциальная система K , относительно которой масса М, предоставленная самой себе в рассматриваемой части пространства, движется прямолинейно и равномерно. Если теперь ввести систему

координат K′ , равномерно ускоренную относительно системы

по отношению к системе K′ масса М, предоставленная самой себе, будет двигаться не по прямой, а по параболе, подобно тому, как дви- жется масса вблизи поверхности Земли под действием силы тяжести.

Можно ли отсюда заключить, что система K′ (абсолютно) ускоре-

на? Это заключение было бы неправомерным. Систему K′ можно с таким же правом считать «покоящейся», предполагая лишь, что в сис-

теме K′ существует однородное гравитационное поле, являющееся

причиной ускоренного движения тел относительно K′ .

Против такого утверждения можно было бы возразить, что не ука- заны массы, порождающие это гравитационное поле. Однако их мож- но считать бесконечно удаленными, не вступая в противоречие с осно- вами механики Ньютона. Кроме того, мы не знаем, с какой точностью соответствует действительности закон тяготения Ньютона.

Одно обстоятельство говорит в пользу нашего утверждения. Отно-

сительно системы K′ все массы, независимо от их конкретных физи- ческих и химических свойств, падают с одинаковым ускорением. Опыт показывает, что это справедливо и для гравитационного поля, причем с необычайной точностью. Примечательный факт, что мы знаем грави- тационное поле как состояние пространства, в котором поведение тел

183

такое же, как и в системе K′ , делает совершенно естественной гипо-

тезу о том, что в системе K′ существует гравитационное поле, по су- ществу тождественное полям тяготения, порождаемым массами в со- ответствии с законом Ньютона.

При этом способе рассмотрения не существует никакого реального разделения на инерцию и гравитацию, поскольку ответ на вопрос о том, находится ли тело в определенный момент исключительно под

действием инерции или под комбинированным воздействием инерции и гравитации, зависит от системы координат, т. е. от способа рассмот- рения (здесь приведен «динамический аналог», отражающий суть принципа эквивалентности инертной и гравитационной масс Эйн- штейна. – Н. Г.).

Итак, общеизвестные физические факты приводят нас к общему принципу относительности, т. е. к утверждению, что законы природы следует формулировать так, чтобы они выполнялись относительно произвольно движущихся систем координат.

Из сказанного выше непосредственно видно, что общий принцип относительности приводит к теории гравитационного поля. Именно,

исходя из инерциальной системы K , в которой гравитационное поле отсутствует, и вводя движущуюся произвольным образом относитель-

но K систему координат K′ , так что в системе K′ существует точно известное гравитационное поле, мы можем определять общие свойства гравитационных полей по общим свойствам тех гравитационных по-

лей, которые получаются при переходе к системе K′ .

В то же время неверно обратное утверждение, что всякое гравита-

ционное поле соответствующим выбором системы координат можно исключить, т. е. получить пространство, свободное от тяготения. На- пример, гравитационное поле Земли нельзя исключить никаким выбо- ром системы координат. Для конечной области это возможно только в случае гравитационных полей весьма специфического вида. Но для

бесконечно малой области координаты всегда можно выбрать таким образом, что гравитационное поле будет отсутствовать в ней (кур-

сив наш. – Н. Г.). Тогда можно считать, что в такой бесконечно малой области выполняется специальная теория относительности. Тем самым

общая теория относительности связывается со специальной теорией относительности, и результаты последней переносятся на первую

[Эйнштейн, 2000. С. 78–80].

Чрезвычайно важной для нас здесь является фиксация необходимости анализа «чрезвычайно малой области» пространства. В контексте приве-

денных выше рассуждений Эйнштейн фактически предлагает перейти от «работы» с ИСО к «работе» с локально-инерциальными системами отсче- та. В частности, он подчеркивает, что «в силу универсальности ускорения

184

в гравитационном поле… в системе отсчета, движущейся с ускорением, тело, на которое не действуют силы, будет покоиться или двигаться с по- стоянной скоростью», т. е. такая система отсчета будет эквивалентна инерциальной системе. Отметим, что это рассуждение справедливо толь- ко для случая постоянного гравитационного поля, однако на практике оно справедливо, поскольку условием реализации является малость размеров тела по сравнению с неоднородностями гравитационного поля. Поэтому «свободнопадающую» систему называют локально-инерциальной, на практике подобная система реализуется, например, в космическом кораб- ле после выхода на орбиту вокруг Земли. Отметим, что локально-

инерциальная система отсчета будет сохранять свойства однородности и изотропности пространства, т. е. для нее можно сформулировать свой принцип относительности – это и есть обобщенный принцип относитель- ности Эйнштейна.

Выше мы пришли к выводу, что принцип относительности и допуще-

ние о существовании инерциальных систем отсчета приводят к геометрии Минковского, которая определяет уравнения СТО. Эйнштейн, по- видимому по аналогии, сделал фундаментальное допущение: принцип относительности и существование локально-инерциальных систем отсче- та приводят к новой геометрии, которая и определяет уравнения гравита- ции. Естественно, в отсутствие гравитации пространственно-временной континуум должен представляться геометрией Минковского. Метрика Минковского задается формулой (10). Рассмотрим ее трансформацию при переходе к другой системе, движущейся («падающей») вдоль оси x с по- стоянным ускорением a относительно первой. Во второй системе отсче-

та с точностью до бесконечно малых второго порядка

Это выражение соответствует определению интервала в геометрии Рима- на (6), т. е. можно предположить, что для описания процессов в системах отсчета, движущихся с постоянным ускорением, соответствующим дви- жению тел в постоянном поле, следует использовать геометрию Римана, частным случаем которой является геометрия Минковского.

185

Известно, что в механике Ньютона в отсутствие сил тела в ИСО дви- жутся по прямой, отрезки которой являются кратчайшими расстояниями между их границами. Поскольку гравитация эквивалентна трансформа- ции пространства Минковского в пространство Римана (это основная идея Эйнштейна), естественно допустить, что движение тела происходит по геодезическим – экстремальным линиям (аналогам прямых). Таким образом, основная идея ОТО заключается в следующем: материя (грави- тирующее тело) искривляет пространство Минковского, а пробные тела движутся по геодезическим линиям искривленного пространства Римана.

Фактически переход к римановой геометрии не изменяет смысл теории относительности, на смену ИСО приходит локально-инерциальная систе- ма отсчета. Дополнительным подтверждением этой идеи служит тот факт, что сами уравнения ОТО были «сконструированы» исходя из общих со- ображений, основными из которых были следующие предположения: 1) для слабых и постоянных гравитационных полей уравнения должны переходить в закон всемирного тяготения Ньютона; 2) уравнения должны включать энергетические характеристики гравитирующих тел.

В итоге, поскольку понятие локально-инерциальной системы отсчета имеет смысл только в том случае, если размеры тела существенно меньше размеров неоднородности поля (тем самым сохраняются свойства изо- тропности и однородности пространства), переход к римановой геомет-

рии можно сравнить с описанным выше различием между метрическими свойствами пространства в целом и пространства в бесконечно малом.

Принцип относительности, который постулирует эквивалентность ИСО, под влиянием физических требований модели (принцип эквивалентности инертной и гравитационной массы) трансформировался в принцип экви- валентности локально-инерциальных систем отсчета, а для того чтобы ключевые геометрические свойства однородности и изотропности не бы- ли нарушены, мы рассматриваем их «в малом», предполагая, что поле слабое и постоянное. Переход к локально-инерциальным системам отсче- та сохраняет саму идею относительности, искривленное пространство «в целом» не дает такой возможности.

Таким образом, говоря об эволюции принципа относительности (а фактически о сохранении представления об ИСО), каждый раз при фор- мировании новой теории мы имеем «пару»: принцип относительности, практически в том виде, в каком его предложил Галилей, плюс необхо- димость сохранения евклидовости пространства (ИСО) и некоторое фи- зическое условие, которое и приводит к новой интерпретации самого по- нятия относительности. В механике Ньютона таким условием является эквивалентность класса ИСО, в СТО – максимальность скорости света и как следствие «ограниченная» эквивалентность ИСО, в ОТО – принцип эквивалентности и как следствие эквивалентность локально-

186

инерциальных систем отсчета. Возвращаясь к основной задаче данного дополнения, отметим следующее: на наш взгляд, нам действительно уда- лось показать, что принцип относительности работает не только как

удобный способ представления и поиска объективных инвариантов для данной модели структуры пространства-времени, но и как регулятив, контролирующий область применения самой модели.

Можно сделать вывод, что на протяжении всей истории физики суть принципа относительности остается практически неизменной, но его со- держание различно в зависимости от конкретной теории. В конце концов, мы даже можем прийти к заключению, что принцип относительности

может играть определенное методологическое значение при построении новых теорий, например, заставляя нас искать новые инварианты, преоб- разования или представления, которые будут сохранять условия анализа явлений неизменными. В частности, в контексте гл. 2 данное обстоятель- ство может означать то, что принцип относительности является одним из наиболее сильных аргументов в пользу реализма, а также в пользу ответа на вопрос о возможности объективного знания о реальности: говоря об относительности законов физики, мы, по крайней мере, можем легко ре- конструировать ту часть физического описания, которая относится к объ- ективным характеристикам реальности.

В последнее время подчеркивается необходимость создания расши- ренной специальной теории относительности (РСТО) [Корухов, Шары- пов, 2005, 2006], основная роль в построении которой отводится планков- ским величинам (см. гл. 3). С позиции философско-методологического анализа развития научных представлений о пространстве и времени пред- ставляется целесообразным сделать ряд замечаний о роли принципа от- носительности в построении этой фундаментальной теории.

Принцип относительности и расширенная специальная теория относительности

Итак, опираясь на проведенный анализ, мы принимаем, что принцип от- носительности – это фундаментальный принцип, «восстановление» (со- хранение) которого заставило в свое время ввести в соответствующие теории (в соответствии с допускаемыми физическими ограничениями, каждое из которых по-своему ограничивало интерпретацию принципа относительности) следующие требования: эквивалентность ИСО (меха- ника Ньютона), «ограниченных» ИСО (СТО) и локально-инерциальных систем отсчета (ОТО). Предполагается, что эвристический потенциал принципа относительности (в его методологическом значении [Головко,

187

2002; Симанов, 2001]) при анализе подходов к созданию РСТО способен «подсказать» нам «направление действий».

Предположим, мы принимаем принцип относительности в его перво- начальном виде, продиктованном еще Галилеем: во всех «хороших» сис- темах отсчета все физические процессы (развитие СТО показало возмож-

ность распространения принципа относительности и на немеханические законы) описываются одинаковым образом, в частности, мы можем ска- зать, что законы, описывающие их, сохраняются или имеют одинаковый вид, являются инвариантными или симметричными. Тогда основной во- прос для будущей РСТО состоит в том, чтобы подобрать необходимую «пару», т. е. некое физическое требование (принцип), которое заставит нас дать новую интерпретацию принципу относительности, а уже сам

принцип относительности заставит нас подобрать соответствующий вид ограничения (будет ли он связан с ИСО и каким образом, пока непонят- но). Формально мы уже сейчас должны задуматься над тем, на что долж- но быть «похоже» «адаптированное» понятие ИСО в РСТО.

Напомним, что пространство РСТО – это пространство релятивистско- го эфира, являющегося асимптотическим пределом для вещественно- полевого уровня реальности, описываемого ОТО и РКМ (см. гл. 3). Един- ственное объективное свойство (см. § 4.4) пространства РСТО (по край- ней мере, очевидное на современном этапе исследований), которое «дос- тупно» вещественному наблюдателю, – это релятивистский инвариант- ный покой этой среды относительно любого инерциального наблюдателя:

любая система отсчета, которую вещественный наблюдатель свяжет с эфиром, всегда будет сопутствующей. Данное свойство выражено в ки-

нематическом свойстве релятивистского эфира Vmax ≡ 0 . Таким образом,

единственное препятствие для новой физической интерпретации принци- па относительности в рамках РСТО – адекватная трактовка свойства «ин- вариантного покоя». В свое время Эйнштейн предложил очень продук- тивный принцип решения подобных проблем, он впервые выдвинул важ- ный методологический прием, который затем распространился на всю физику: он придумал мысленный эксперимент (выше, говоря об ОТО, мы уже приводили один мысленный эксперимент – «лифт» Эйнштейна). Суть мысленного эксперимента состоит в том, чтобы представить, как можно измерить то или иное свойство, например время или эквивалент- ность масс, и предложить операциональный подход к решению пробле- мы. Фактически именно Эйнштейн закрепил операционалистскую мето- дологию в физике. История развития физики ХХ в. показала всю мощь этого приема. Например, вся интерпретация квантовой механики Бора – это оперционализм в чистом виде.

188

Для того чтобы предложить мысленный эксперимент, который, по крайней мере, операционально проинтерпретирует понятие «инвариант- ный покой», необходимо привести ряд предварительных замечаний, свя- занных с самой постановкой задачи «обнаружения» инвариантного покоя в контексте принципа относительности. Во-первых, мы должны предпо- ложить, что требования принципа относительности отражают определен- ную симметрию законов физики, предположить, что свойство сохране- ния (относительности, инвариантности) законов физики – это симметрия, которая в общем случае «нарушена» и для «восстановления» которой не- обходимо прибегать к дополнительным физическим соображениям. Фак- тически в данном дополнении мы использовали именно такую интерпре- тацию принципа относительности. Отметим, что это предположение не- тривиально, поскольку мы привыкли к обратному, к тому, что принцип относительности лишь фиксирует то, что законы физики сохраняются. Раскрывая содержание этой симметрии, мы надеемся прийти к объясне- нию причин относительности законов физики, что особенно важно в кон- тексте построения РСТО. Во-вторых, мы должны поставить вопрос отно- сительно эмпирического статуса такой симметрии в рамках РСТО. От- метим, что, например, в рамках СТО или ОТО последний вопрос был ус-

пешно разрешен благодаря введению представления об эквивалентности соответствующих классов ИСО.

Принцип относительности как фундаментальная симметрия

Предположив, что принцип относительности есть отражение некоторой фундаментальной симметрии, мы с необходимостью приходим к вопросу об эмпирическом статусе такой симметрии. Анализ этого вопроса осо- бенно важен в контексте обсуждения интерпретации принципа относи- тельности в РСТО. Для того чтобы показать всю исключительность поня- тия «инвариантный покой» и связанных с ним свойств релятивистского эфира, вновь обратимся к Галилею. Отметим, что, говоря об относитель- ности результатов наблюдений за ходом явлений «на корабле» и «на бе- регу», Галилей говорит о существовании единой пространственно- временной симметрии, связывающей фактически две системы отсчета, причем он опирается (заранее предполагает) на тот факт, что «неподвиж- ную» и «движущуюся» системы отсчета можно эффективно выделить или отличить одну от другой. Приведем ряд предварительных замечаний относительно понятия симметрии, ее преобразования и эмпирического статуса.

Понятие симметрии (мы имеем в виду, конечно, динамические сим- метрии движущихся равномерно или покоящихся относительно друг дру-

189