книги из ГПНТБ / Станис Л.Я. Движение, пространство, время и теория относительности

говорит о том, что энергия тела всегда будет отличной от нуля. И в состоянии покоя массе (т0) соответствует определенная энергия (Е = т0с2). Наличие энергии покоя позволяет рассматривать всякое тело как огромный, вну­ тренне связанный, потенциальный резервуар энергии. Ус­ тановление закона пропорциональности между массой и энергией указало на возможность превращения энергии, связанной с веществом, в энергию поля (излучения). В данном случае физика еще раз убедительно подтверж­ дает положение марксистской философии об абсолютном характере движения и относительном характере покоя. Мы не будем здесь специально останавливаться на опро­ вержении неправильного истолкования закона эквива­ лентной связи массы и энергии как закона отождествле­ ния массы и энергии. Из такого ложного истолкования данного закона делались идеалистически-метафизиче- ские выводы о превращении материи в движение или движения в материю. Критику неверного, противореча­ щего сути дела, понимания закона связи массы и энергии можно теперь найти почти в каждом учебнике по диа­ лектическому материализму. Конкретное соотношение между массой и энергией говорит лишь о том, что энер­ гия всегда связана с массой, а масса с энергией в строго определенной, эквивалентной зависимости.

Прежде чем перейти к проблеме связи пространст­ ва-времени с движением материи в общей теории отно­ сительности, остановимся на некоторых трудностях, возникающих в специальной теории относительности при рассмотрении систем, движущихся прямолинейно и рав­ номерно Если, например, взять две системы, движущи-1

еся прямолинейно и равномерно относительно друг друга, то одну из них с успехом можно принять за покоящуюся, а другую — за движущуюся. Главное же заключается в том, что «часы» каждой из них в сравнении с другой будут отставать. А «часы» той, другой системы, в срав­ нении с собственными будут забегать вперед. То же про­ изойдет и с размерами. Сокращающейся всякий раз будет казаться та, другая система, в сравнении с собственной. Словом, эффекты будут лишь эффектами взаимооднородного отражения состояния движения одной системы в другой. На этом основании некоторые делают вывод о том, что все эффекты относительности размеров тел и течения процессов во времени являются только кажу­ щимися, отраженными, но не истинными. С подобными рассуждениями можно было бы согласиться только в одном случае, повернув назад, если встать на точку зре­ ния классической механики и признать существующими абсолютно неподвижное мировое пространство и единый поток времени как абсолютную систему отсчета. Только относя к подобной системе «кажущиеся» эффекты в дви­ жущихся системах, можно было бы устанавливать «истинное» время процессов и «истинные» размеры тел. Но, как выше было показано, теория относительности начинается по сути дела с того, что отвергает существо­ вание абсолютного покоя и абсолютной системы отсчета, а вместе с ними и возможность установления «абсолют­ ных» пространственно-временных параметров движения материальных систем. Кроме того, существование таких инерциальных систем, которые движутся абсолютно рав­ номерно и прямолинейно, общей теорией относительности ставится под сомнение. На самом деле, если в мире существуют всеобщая взаимосвязь и взаимодействие материальных систем друг с другом как непосредствен­ ные, так и опосредованные через самые разнообразные

92

поля, через гравитационное в первую очередь, значит две системы могли бы находиться в абсолютно точном и постоянном отношении прямолинейного и равномерного движения лишь в случае их полной изолированности от всякого воздействия окружающего материального мира, причем не только в настоящем, но и в прошлом, т. е. мы должны были бы рассматривать их существующими вне всякой истории. Далеко не всегда то, что возможно пред­ ставить в форме научной, мысленной идеализации, в том же самом виде существует в объективной действитель­ ности.

Надо иметь в виду, что специальная теория относи­ тельности, рассматривающая движение инерциальных систем, как частный случай вошла в общую теорию отно­ сительности, предметом рассмотрения которой являются системы, движущиеся с ускорением, с изменением на­ правления движения. Поэтому вопрос о том, к а к же т е ч е т в р е м я в движущихся друг относительно друга системах на с а м о м деле, независимо от ритма изме­ нений в них, независимо от состояния движения, лишен

движения Земли в Солнечной системе, в Галактике ит. д., мы с вами сейчас находимся. Н и абсолютного места , ни абсолютного момента или промежутка в р е ме ни , независимых от состояния движения материи, не сущест­ вует. Пространство и время — атрибутивные всеобщие формы, но все-таки формы существования движущей­ ся материи. Нельзя их отрывать от движения материи и превращать в некие самостоятельные субстанции, как это делал Ньютон. Такая позиция оказалась метафи­ зичной.

Зачастую забывается, что взгляды Ньютона на про­ странство и время разделялись далеко не всеми мысли­

93

телями. Их критиковал, например, английский философматериалист Д. Толанд (1670—1722), который выступал против признания пустоты. По мнению Толанда, вся Вселенная заполнена материей, а пространство и время выражают ее свойства. «Я не могу поверить в абсолют­ ное пространство, отличное от материи и вмещающее ее в себе, как не могу поверить и тому, что есть абсолютное время, отличное от вещей, о длительности которых идет речь»'.

Не соглашались с Ньютоном, как известно, Декарт, Лейбниц и др.

«Движение — есть сущность времени и пространст­ ва»,—писал, например, Гегель. В. И. Ленин приводит эти слова Гегеля в «Философских тетрадях», размышляя по поводу диалектически-противоречивой природы дви­ жения, пространства и времени.

Субъективные идеалисты, Беркли например, тоже выступали против ньютоновых представлений, но с пози­ ций не научных, рассматривая пространство и время лишь комплексами идей или ощущений. По Канту, про­ странство и время являлись доопытными, априорно при­ сущими формами человеческого восприятия мира, чем-то вроде врожденных пространственно-временных очков, при помощи которых человек упорядочивает свои восприятия и «смотрит» сквозь них на мир.

Критика в адрес Ньютона с философских позиций глубоко не затрагивала того конкретного, механико-ма­ тематического материала, где Ньютон использовал свои' взгляды на пространство и время. До поры до времени они не вступали в непосредственные противоречия и с экспериментальными фактами. В период господства идей1

1 Д. Т о л а н д . Письма к Сорене. М.—Л., ГИЗ, 1927, стр. 105.

94

6.ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

ОКРИВИЗНЕ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ

ИПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ ПУТИ В ЕЕ ФИЛОСОФСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ

Неожиданно по-новому, далеко опережая свое время, поставил вопрос о пространстве и его геометрических свойствах выдающийся русский математик Н. И. Лоба­ чевский. В 1826 году он доказал возможность построе­ ния непротиворечивой геометрии, отличной от геометрии Евклида, которая в течение более чем двух тысяч лет считалась единственно возможной и абсолютно истинной. В 1832 году выдающийся венгерский математик Янош Больяи независимо от Лобачевского также пришел к идеям неевклидовой геометрии. Лобачевский подходил к решению вопроса материалистически. Об этом можно судить по следующим его высказываниям: «В природе,— писал он, — мы познаем собственно только движение, без которого чувственные впечатления невозможны». И да­ лее: «Все прочие понятия, например геометрические, произведены нашим умом искусственно, будучи взяты в свойствах движения; а потому пространство само собой, отдельно, для нас не существует. После чего в нашем уме не может быть никакого противоречия, когда мы допускаем, что некоторые силы в природе следуют одной, другие своей особой геометрии»

Несмотря на то, что Лобачевский часто называл свою геометрию «воображаемой», он считал, что лишь опыт может решить, какова геометрия реального пространст-1

96

ва. Известно, что он пытался подтвердить свои идеи экспериментальным путем. Правда, для успешного осу­ ществления таких экспериментов наука и техника в то время еще не давали возможностей. Лобачевский писал: «Напрасное старание со времен Евклида в продолжении двух тысяч лет заставило меня подозревать, что в самих понятиях еще не заключается той истины, которую хоте­ ли доказывать и которую проверить, подобно другим физическим законам, могут лишь опыты, каковы, напри­ мер, астрономические наблюдения»

Лобачевский считал, что пространство может обла­ дать кривизной, сумма трех углов треугольника в таком пространстве меньше двух прямых, а к прямой на плос­

1854 году крупнейший математик своего времени Риман вводит обобщенное понятие пространства как непрерыв­ ного многообразия, определяемого системой чисел (Х1Х2Х2 ... хп) , где квадрат расстояния между бесконечно близкими точками характеризуется квадратичной фор­ мой {¡х^Хгйх^ говорящей о кривизне пространственных соотношений, которая может меняться от точки к точке.

Риман также предполагал, что свойства пространства должны зависеть от материальных тел и процессов, ко­ торые в нем происходят. Он при этом высказал гипотезу о возможности конечного, но неограниченного простран­ ства в том случае, если оно будет иметь не отрицатель­ ную, как у Лобачевского, а положительную кривизну. Евклидова геометрия оказывалась предельным частным1

1 Н. И. Л о б а ч е в с к и й. Поли. собр. соч., т. II. М.—Л., Гостехиздат, 1949, стр. 147.

случаем неевклидовых геометрий, как геометрия нулевой кривизны (рис. 7).

Создание неевклидовых геометрий уже в XIX веке привело к возникновению некоторых новых представле­ ний и гипотез. Все чаще стали подвергать сомнению

правомерность представлений о существовании абсолют­ ного прямолинейно-равномерного движения, а вместе с этим и стоящий за такими представлениями физический смысл ньютонова понятия абсолютного пространства. Было введено понятие инерциальных систем отсчета, не связанных с понятием абсолютного пространства евкли­ довой геометрии; как мы отмечали, подобные идеи в зародышевом виде содержались в некоторых представ­ лениях Галилея. Однако лишь с возникновением идей общей теории относительности неевклидовы геометрии получили физическое обоснование и свое дальнейшее развитие. Неевклидовы геометрии, с другой стороны, по­

98

служили важнейшей теоретической предпосылкой воз­ никновения идей общей теории относительности.

Через 11 лет после создания специальной теории от­ носительности, в 1916 году Эйнштейн обнародовал идеи общей теории относительности, в которых содержались еще более необычные для обыденного человеческого рас­ судка представления о пространственно-временной струк­ туре материального Мира.

Центральным в общей теории относительности яв­ ляется принцип эквивалентности, т. е. неразличимости инерционного и гравитационного полей.

Еще Галилей впервые показал, что все тела падают на Землю с одинаковым ускорением. До него считалось общепринятым другое. Казалось, что предметы разного веса должны падать с разным ускорением, тяжелые — с большим, легкие — с меньшим. По некоторым историче­ ским данным известно, что монахи, перед которыми вы­ ступал Галилей, не поверили всем его доводам и даже опыту. Настолько все казалось несоответствующим здра­ вому смыслу, что и опыт и теорию сочли за наваждение Дьявольщины. Факт, однако, вещь самая упрямая; в конце концов с ним пришлось считаться. Ученые по-раз­ ному объясняли его природу. Ньютон, например, рас­ сматривая движение тяжелого и легкого шаров под дей­ ствием силы тяготения, предположил, что на тяжелое ядро действует сила тяготения, во столько раз большая, во сколько раз его масса больше легкого шара. Вместе с тем благодаря инерции более тяжелый шар во столько же раз больше сопротивляется притяжению Земли, во сколько раз он тяжелее легкого. Словом, в физике этот закон выражается так: сила тяжести, действующая на тело, всегда пропорциональна инертной массе этого тела. Если предмет А втрое тяжелее предмета В, его инерция также втрое больше.

Эйнштейн объяснил численное равенство между инер­ цией и гравитацией на основе объективного единства их природы. Они неразличимы, потому что представляют собой проявление единого поля с разной локальной структурой. По своей сущности инерционное поле лишь особое, частное проявление гравитационного, отличается оно от последнего не более чем, например, центрально­

симметрическое поле точеч­ ной массы отличается от других форм гравитацион­ ных полей. Эйнштейн приво­ дит пример с лифтом (рис. 8). Представим себе, что лифт движется вверх с ус­ корением. Все тела, которые в нем находятся, будут при­ жиматься к полу с силой, возрастающей пропорцио­ нально ускорению. Если же ускорение будет постоян­ ным, то мы, например, ока­ завшись в лифте, чувствова­

ли бы себя так, как если бы находились на космическом теле с большей гравитационной массой, чем планета Земля. И, наоборот, если бы вдруг канат лифта оборвал­ ся, то мы в лифте некоторое время находились бы в со­ стоянии свободного падения, не ощущая силы тяжести. Гравитационное поле внутри лифта как бы исчезло. Сло­ вом, силы инерции, возникающие в системах, движущих­ ся с ускорением, всегда можно приравнять к соответст­ вующему полю тяготения. Оказывается теперь, что по внутреннему поведению тел в замкнутой материальной системе нельзя по наличию сил инерции определить, дви­ жется она с ускорением или покоится в соответствующем

100