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

проса. Противопоставление движения покою есть лишь противопоставление одного состояния движения — сос­ тояния его изменчивости другому его состоянию— равно­ весию, относительной неизменности, но опять-таки в са­ мом движении. Вне и кроме материального движения, по­ мимо и независимо от движения материи, ничего нет, так как нет ничего вне и к р о ме . Движение относится толь­ ко к движению. Устойчивость, равновесие, неизменность, неподвижность в определенных отношениях, т. е. покой в движении, в отношении к которому рассчитываются (и существуют) параметры движения, относительны и

состояние движения материи всегда и всюду абсолют­

с ч е т а . Здесь дилемма оказывалась таковой: признать объективно существующей абсолютную скорость движе­ ния, тем самым означало признать объективно сущест­ вующим абсолютный покой (неподвижное абсолютное пространство, мировой эфир). Если в принципе отверг­ нуть возможность существования абсолютной скорости и признать ее только относительным параметром движе­ ния, значит тем самым признать существование Мира в состоянии всеохватывающего, всепроникающего мате­ риального движения, где нет места привилегированной системе отсчета, абсолютному покою, неподвижному, всегда самому себе равному мировому пространству.

Привычка думать, что движение всегда лишь резуль­ тат толчка, внешнего воздействия какой-то силы, что самопроизвольного, само по себе существующего дви­

51

жения как самодвижения материальных тел вообще нет, настолько прочно вошла во все наши представления, что она и сейчас в значительной мере не устранена. Она не­ зримо давит на нас. Ее трудно устранить потому, что в практике обыденной жизни мы постоянно наблюдаем, как внешнее воздействие одних тел вызывает изменение, движение других. Иначе говоря, обыденный, «здравый смысл», наш рассудок все еще по-старому видит в покое тел нечто исходное, абсолютное, не требующее дальней­ шего обоснования, а в их движении — нечто привходящее, требующее для самого своего обоснования установления какой-то другой, исходной причины или «силы», лежа­ щей вне материальных тел. А, собственно, почему? Ведь при некотором напряжении мысли, переходя от созерца­ ния и наблюдения окружающей действительности к ее пониманию, к размышлению о ней, мы не сможем найти или выделить в известном нам мире ни космического тела, ни обычного предмета, ни одной пылинки и даже ни одной микрочастицы, которые бы абсолютно покои­ лись. Однако для того чтобы ввести лишь предположе­ ние о том, что тела способны сохранять свое равномерное движение без ускорения сколь угодно долго, науке по­ требовалось около двух тысяч лет (исключая, пожалуй, идеи Гераклита). Но и после введения его Галилеем потребовалось еще около двух веков, пока Энгельс на основе обобщения достижений многих исследователей, с позиций научной философии доказал, что нет материи без движения, как движения без материи, что только в движении обнаруживаются свойства тел, «...о теле, которое не находится в движении, нечего сказать», — пи­ сал он в «Диалектике природы» Г Несколько больше времени потребовалось для обоснования, теперь уже1

1 Ф. Э н г е л ь с . Диалектика природы. М., 1948, стр. 199.

52

Эйнштейном, бессмысленности абсолютного покоя с по­ зиций физики, который последовательнее, чем Галилей, провел принцип относительности, распространив его на любое, в том числе и на ускоренное движение. Как здесь не вспомнить предупреждения Энгельса об ограничен­ ности так называемого обыденною здравого рассудка, когда мы выходим из области «четырех стен домашнего обихода» в область теории, а также его критику абсо­ лютизации «сил» в механике. «...Прибегая к понятию силы, — писал он, — мы этим выражаем не наше знание, а н е д о с т а т о ч н о с т ь нашего знания о природе за­ кона и способа его действия»'. И далее: «В механике причины движения принимают за нечто данное и инте­ ресуются не их происхождением, а только их действия­ ми. Поэтому если ту или иную причину движения назы­ вают силой, то это нисколько не вредит механике как таковой, но благодаря этому привыкают переносить это обозначение так же и в область физики, химии и биоло­ гии, и тогда неизбежна путаница»12.

Теория относительности в о с с т а л а против целого ряда веками утверждавшихся привычек и понятий. Посвоему она разрешила те противоречия классической механики, о которых речь шла выше, чего нельзя было бы сделать в пределах самой механики чисто теоретиче­ ски. Импульсом к решению этих противоречий послу­ жило дальнейшее развитие физики, исследование целого ряда новых явлений (электромагнетизма, в первую очередь), а также новые эксперименты (опыты Физо, Майкельсона — Морли и др.). Средством выражения новых идей послужили сделанные к тому времени дости­

53

следует отнести неевклидову геометрию, которая обяза­ на своим появлением выдающемуся русскому матема­ тику Н. И. Лобачевскому. Позже она была разработана крупнейшим немецким математиком Риманом. Непо­ средственно Эйнштейн использовал достижения четырех­ мерной неевклидовой геометрии польского математика с мировым именем Германа Минковского.

Первое противоречие классической механики было разрешено теорией относительности в пользу сохранения времени как всепроникающего и всеобщего условия ма­ териального движения, тем что признавалась предельная скорость распространения любых взаимодействий, кото­

действий с бесконечной скоростью была отвергнута. В ре­ зультате пришлось вместо классического принципа сложения скоростей принять другой, предложенный Эйн­ штейном, вместо галилеевых преобразований коорди­ нат — лоренцовы преобразования.

Второе противоречие по существу было разрешено в пользу всеобщего значения ньютонова закона действия

ипротиводействия, теперь распространявшегося на взаи­ моотношения пространства и времени, с .одной стороны,

идвижения материи, с другой. В результате простран­ ство и время переставали быть некими вместилищами, абсолютно независимыми от состояния движения материи. Вместе с тем они переставали быть независи­ мыми относительно друг друга физическими реально­ стями, превращаясь в единую всеобщую форму, струк­ туру материального движения, в пространство-время, которая, в конечном счете, определяется взаимодействием

идвижением материальных систем.

Разрешение третьего противоречия теорией относи­ тельности было направлено в сторону более последова­

54

тельного проведения галилеева принципа сохранения телами состояния равномерного движения без ускорения как закона природы, который лежал в основе принципа относительности.

Материальное движение в результате приобретало не только всеобщий, но и абсолютный, безотносительный к чему бы то ни было другому, характер. Относительным теперь оказывалась мера , степень проявления движения материальных систем, выражающаяся в пространствен­ но-временных параметрах. Покой приобретал только от­ носительный и временный характер как момент устой­ чивости, равновесия и относительной неизменности в движении. Первое противоречие разрешалось уже в спе­ циальной теории относительности, остальные два — главным образом в общей теории относительности.

Иными словами, теория относительности с позиций физики на конкретном естественнонаучном материале раскрывала единство материи и движения, зависимость пространственно-временной структуры мира от состоя­ ния движения материи. Материальное движение (движу­ щаяся материя) выступало как субстанция мира, как его содержание, которое существует в своей всеобщей пространственно-временной форме. Законы связи и взаи­ модействия между формой и содержанием, между про­ странством-временем и материальным движением и устанавливает теория относительности. Вот о чем гово­ рит анализ взаимоотношения философии и естествозна­ ния.

В результате возникновения идей теории относитель­ ности наука получила дополнительное обоснование диа­

55

4.ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРИЯ

ОСВОЙСТВАХ п р о с т р а н с т в а и в р ем ен и

Все началось, пожалуй, с оптики, электродинамики,

сизучения электричества и магнетизма.

УЭйнштейна и Инфельда в «Эволюции физики» мы

читаем:

«Во второй половине девятнадцатого столетия в фи­ зику были введены новые и революционные идеи; они открыли путь к новому философскому взгляду, отличаю­ щемуся от механического. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца привели к развитию современной физики, к созданию новых понятий, образующих новую картину действительности» ‘.

Действительно, новые идеи открыли новый путь к новому философскому взгляду на Мир, но пошли по нему далеко не все. Прошел его от начала до логического фи­ лософского завершения лишь Эйнштейн, в пути остано­ вились такие его выдающиеся соратники по созданию теории относительности, как Лоренц и Пуанкаре, хотя некоторые идеи и математические модели, вошедшие затем в золотой фонд теории относительности, они вы­ двинули раньше Эйнштейна.

В механике Ньютона мы имели массы и силы, дейст­ вующие между ними на расстоянии. Поле тяготения, по существу, не представляло собою ничего реального за пределами тяготеющих масс в пространстве, считалось, что силы тяготения, т. е. гравитационные взаимодействия,

57

действия. Сила тяготения между двумя тяготеющими массами зависит лишь от самих масс и расстояний

нальна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. С помощью законов механики можно, например, рассчитать движение Земли, зная силу, действующую между Солнцем и Землей. И Земля и Солнце принимают участие в игре сил тяготе­ ния на большом расстоянии, без затраты времени на рас­ пространение их воздействия. Действие на расстоянии (дальнодействие) находило свое оправдание в сущест­ вовании пустого пространства. Пустота не могла оказы­ вать никакого противодействия мгновенному распростра­ нению сил взаимодействия. Когда же при исследовании электричества и магнетизма было установлено, что про­ странство заполнено электромагнитным излучением, рас­ пространяющимся непрерывно, по принципу близкодействия от точки к точке, не мгновенно, а с постоянной ско­ ростью около 300 тысяч километров в секунду, пришлось задуматься над тем, могут ли в пространстве, заполнен­ ном электромагнитным волновым процессом, распрост­ раняться какие-либо взаимодействия с бесконечной ско­ ростью, мгновенно, в том числе и гравитационные. Однако по-настоящему задумались над этим не сразу, пожалуй, только после ряда экспериментов, особенно после отрицательных результатов эксперимента Майкельсона — Морли.

Электродинамика сначала привела к гипотезе суще­ ствования мирового эфира, заполняющего все простран­ ство, пропитывающего все материальные тела. Эфир должен был обладать одним единственным свойством, для которого он и был придуман, а именно — быть той материальной средой, в которой мог бы распространять-

58

ся волновой электромагнитный процесс. Иначе пришлось бы представить себе нечто, аналогичное распростране­ нию волновых колебаний от брошенного, например, в воду камня без самой воды, без того, что может коле­ баться. Не случайно Макс Планк весьма образно и метко охарактеризовал гипотезу эфира как дитя классической науки, зачатое во скорби, во скорби по абсолютной си­ стеме отсчета после того, как пришлось похоронить пус­ тое пространство, выполнявшее эту роль, в поисках материального носителя этой системы отсчета для того, чтобы электромагнитные колебания могли в ней распро­ страняться со столь, колоссальной, но постоянной и не бесконечной скоростью. Казалось, что с введением эфира все встанет на свои места. Электромагнитные колебания смогут распространяться в эфире непрерывно, с посто­ янной скоростью, подобно тому как звуковые колебания распространяются в воздухе, эфир, казалось, сможет выполнять теперь не только роль материальной среды, распространяющей электромагнитные взаимодействия, но и роль абсолютного тела отсчета. Постоянная ско­ рость распространения света 1 в покоящемся эфире да­ вала, как казалось, наконец, возможность рассматривать

отсчета — эфиром и любым конкретным состоянием дви­ жения материи. Через сравнение с постоянной скоростью света в эфире (в «пустоте») становилось в принципе возможным рассчитывать абсолютную, «истинную» ско­

1 Свет является видимой частью спектра электромагнитных ко­ лебаний. Часто под термином «свет» подразумевается весь спектр электромагнитного излучения и видимая и невидимая его часть, от радиоволн большой длины до рентгеновского излучения и гаммалучей.

59

рость любого конкретного состояния движения в его отношении к мировому пространству, сплошь заполнен­ ному эфиром. Наука как будто нашла, наконец, физи­ чески реальную точку опоры для абсолютного покоя в виде эфира, оптика преподносила науке давно искомую привилегированную систему отсчета в виде постоянства скорости света в мировом эфире. Не беда, что система отсчета распространяется с колоссальной скоростью 3 • 105 км/сек. Для математических расчетов эта трудность невелика. Зато за нею скрывается абсолютная мировая система отсчета, до сих пор предполагавшаяся сущест­ вующей чисто теоретически даже у Ньютона. Если к то­ му же представить эфир обладающим некоторыми свойствами абсолютно твердого тела, он выступит и в ро­ ли необходимого условия для установления абсолютной одновременности событий, сколь угодно пространственно разобщенных. Он мгновенно сможет передавать опреде­ ленные взаимодействия, информацию о событиях на лю­ бое расстояние (аналогично тому, как в классической механике представляется мгновенной передача удара по одному концу абсолютно упругого, жесткого стержня к его другому концу).

Структура электромагнитного поля описывалась уравнениями Максвелла. Ареной действия законов элек­ тродинамики оказывалось все пространство, а не просто отдельные тела или заряды, как это было в механических законах. Зная положение и скорость частиц в начальный момент времени, зная действующие силы, в механике можно было точно предсказать траекторию движения частицы для любого будущего времени. В теории Мак­ свелла, по состоянию электромагнитного поля в тот или иной момент времени также можно предсказать, как бу­ дет изменяться в пространстве и во времени теперь уже все поле. Если уравнения механики как бы позволяют

60