Глава 2. Концепции пространства и времени в XX веке: специальная теория относительности

Перед рассмотрением концепций пространства и времени в XX в., особенно специальной теории относительности (СТО), необходимо рассмотреть ситуацию, сложившуюся в физике к концу XIX в.

Прежде всего обратимся к истории формирования “принципа относительности” в физике. Этот принцип находит основания в учении Коперника, поскольку движение Земли в гелиоцентрической системе не сказывается на наблюдаемых процессах на Земле.

Классическую формулировку принципа относительности дал Галилей в 1632 г. в знаменитом труде “Диалог о двух важнейших системах мира: птоломеевой и коперниковой”. Принцип относительности утверждает, что все законы физики (и вообще природы) инвариантны относительно инерциальных систем отсчета.

К инерциальным системам отсчета относятся системы, для которых справедлив закон инерции: материальная точка без воздействия внешних сил (или при воздействии уравновешивающих сил) находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения.

Системы отсчета, находящиеся по отношению к инерциальной системе в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, также будут инерциальными.

Последующие открытия физических законов, в том числе законов механики Ньютона (описанных в его труде “Математические начала натуральной философии” в 1686 г.), были инвариантны относительно преобразования Галилея.

Напомним эти законы:

1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не “понуждается” приложенными силами изменить это состояние.

2. Изменение количества движения пропорционально движущей силе и происходит по направлению к той прямой, по которой эта сила действует.

3. Действию всегда есть равное противоположное противодействие, иначе говоря, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Законы Ньютона были не только эквивалентны для инерциальных систем отсчета, но и инвариантны относительно обращения вектора времени (последнее свойственно практически всем физическим законам).

Проблемами классической механики Ньютона были метафизичность понятия “сила” и непроверяемость 1-го закона (см., напр., [Льоцци, 1970, с.316—317]).

В XIX в. классическая механика не претерпела заметных изменений. Здесь, пожалуй, стоит напомнить только экспериментальное подтверждение вращения Земли. Это сделал Фуко в 1851 г. [Льоцци, 1970, с.315] на основании положения о сохранении плоскости колебаний маятника в мировом пространстве (позднее то же самое было установлено для оси гироскопа). Фуко исходил из экспериментального факта, что при вращении нити, на которую подвешен маятник, т.е. при угловом силовом воздействии на него, плоскость его колебаний не изменяется.

Кроме того, в начале XIX в. была разработана оптика

Т.Юнга и О.Френеля, в которой скорость света относительно эфира считалась постоянной относительно мирового неподвижного эфира (как бы вместилища абсолютного пространства Ньютона) и, соответственно, независимой от скорости движения источника. Отсюда нарушался принцип относительности, так как наблюдатель, движущийся навстречу лучу, должен был регистрировать скорость света, равную векторной сумме скорости света и скорости “эфирного ветра”.

Разработанная позднее электродинамика Максвелла (включившая в себя оптику) также не была инвариантна относительно инерциальных систем отсчета.

Попытка обнаружения эфира в опытах Майкельсона—Морли (1881 г.) с применением интерферометра, который можно было вращать относительно направления вращения Земли, не дала положительных результатов.

Математические описания, которые можно рассматривать как предысторию СТО, разработал Лоренц, который пытался восстановить идеал инвариантности описания всех физических процессов относительно инерциальных систем отсчета путем учета взаимодействий тел с эфиром (в частности, посредством предположения об изменении линейных размеров тел при их движении в эфире).

Идейно-теоретические основы СТО были заложены А.Пуанкаре и А.Эйнштейном. В силу ряда обстоятельств (см., напр., [Панов, 1990]) общественный престиж не совсем справедливо оказался смещенным в пользу Эйнштейна. Основные идеи и положения СТО были сформулированы А. Эйнштейном в 1905 г. в его знаменитой работе “К электродинамике движущихся тел”. Не буду воспроизводить непосредственно работу Эйнштейна — вывод основных положений СТО ясно и просто изложен, например, в книге казанского геометра А.З.Петрова (см.: [Петров, 1983, с.36]).

Если рассмотреть взаимосвязь философской сферы осмысления проблем пространства и времени с конкретно естественнонаучной, то надо сказать о второй жизни концепции Лейбница, который считал, что пространство и время есть не самостоятельные сущности, а свойства тел, обусловленные их порядком, расположением и причинно-следственными связями. Философская концепция Лейбница не утвердилась в науке XVII в. и в последующее время ввиду торжества ньютоновой классической механики. “Перекличка веков” с идеями Лейбница выявилась с созданием в XIX в. неевклидовой геометрии. Один из ее создателей Н.И.Лобачевский прямо отмечал, что геометрия пространства определяется входящими в него телами. Особенно же идеи Лейбница “отозвались” в созданной в ХХ в. специальной и общей теории относительности.