2.3.2. Абсолютное пространство и абсолютное время в классическом естествознании

Развивая атомистическую доктрину материи, Ньютон ввел в созданную им механику в качестве непрерывных составляющих этой доктрины абсолютное, не зависящее от материи, пустое пространство и абсолютное, не зависящее от пространства и от материи, время. Абсолютное пространство, считал Ньютон, по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным, являясь пустым вместилищем материальных объектов. Важно отметить, что согласно такому представлению, абсолютное пространство выступает фактически не как протяженность, а как абсолютное условие существования и движения материальных объектов.

Абсолютное, истинное, математическое время у Ньютона – это время, которое само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. При таком подходе абсолютное время предстает как объект весьма парадоксальный. Во-первых, рассмотрение течения времени связано с представлением времени как процесса во времени, что логически неудовлетворительно. Во-вторых, трудно принять утверждение о равномерном течении времени, ибо это предполагает, что существует нечто, контролирующее скорость потока времени. Более того, если время рассматривается «без всякого отношения к чему-либо внешнему», то какой смысл может иметь предположение, что оно течет равномерно?

Следует отметить, что абсолютное время Ньютон назвал не только истинным, но и математическим. В этом пункте заключено важное отличие представления о времени Ньютона от воззрений его предшественников. До Ньютона истинное время понималось по-разному – иногда это была просто длительность, иногда – бесконечное время, а иногда и сама вечность. Это время потом получало метризацию (масштаб) с помощью периодических природных движений, и таким образом становилось сопричастным Природе. У Ньютона появляется математическое время, длительность которого задается линией евклидовой геометрии, а ритм – натуральным рядом чисел. Математическое время, таким образом, есть непрерывная, монотонно возрастающая функция в промежутке (-∞,+∞).

2.3.3. Уравнения Максвелла и концепция абсолютно неподвижного эфира

К середине XIX века классическая механика Ньютона достигла больших успехов в объяснении многих физических явлений и решении многих практических инженерных задач. Когда открывались новые физические явления, их природу старались прежде всего объяснить на основе законов механики, т.е. все многообразие окружающего мира старались объяснить с позиций механики. Это направление получило название механицизма.

Механика Ньютона явилась теоретическим обобщением большого количества экспериментальных фактов, связанных с движением тел со скоростями много меньшими скорости света в вакууме. Напомним основные положения, на которых базируется классическая механика.

1. Существует абсолютное, т.е. независимое от материальных тел и процессов, пространство, обладающее эвклидовой геометрией и имеющее три измерения.

2. Независимо от пространства существует равномерно текущее время, также носящее абсолютный характер.

3. Пространство связано со временем через уравнения движения.

4. Размеры тел и длительность событий во всех системах отсчета одинаковы.

5. Принцип дальнодействия – взаимодействие между телами распространяется с бесконечно большой скоростью.

6. Одним из важнейших принципов ньютоновской механики является принцип инерции, который часто связывают с именем Галилея: существуют системы отсчета, в которых свободное тело (т.е. тело, на которое не действуют другие тела или поля) движется равномерно и прямолинейно или покоится (этот принцип называют также первым законом Ньютона). Такие системы отсчета называются инерциальными. Инерциальных систем отсчета (ИСО) существует бесконечное множество: любая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной, сама является инерциальной. Все инерциальные системы отсчета равноправны. В соответствии с принципом относительности Галилея, не существует абсолютно неподвижной ИСО, т.е. любую ИСО можно рассматривать как неподвижную, так и движущуюся с какой-то скоростью относительно другой ИСО.

Рис.2.3.1. Инерциальные системы отсчета К и К'

Рассмотрим две инерциальные системы отсчета: К (с координатами x, y, z) и К׳ (с координатами x׳, y׳, z׳), которая движется относительно К вдоль оси х со скоростью v = const (Рис.2.3.1). Одноименные оси координат систем К и К׳ параллельны друг другу. В начальный момент времени t =t׳ = 0 начала координат совпадают. Пусть положение материальной точки в системе К в момент времени t определяется радиус-вектором r(t), а положение этой же точки в системе К′ в тот же момент времени t′=t описывается радиус–вектором r′(t′), который связан с r(t) соотношением

r′(t′)= r(t) – Vt, (2.3.1)

причем

t′=t. (2.3.2)

Соотношения (2.3.1) и (2.3.2) называются преобразованиями Галилея. С помощью преобразований Галилея осуществляется переход от одной ИСО к другой ИСО.

7.Закон сложения скоростей в классической механике

V = V^׳'+ V_{0 ,} (2.3.3)

где V – скорость движения материальной точки в покоящейся системе отсчета, V₀ – скорость движения второй системы относительно первой, V^{׳' –} скорость материальной точки относительно движущейся системы отсчета.

8. Принцип относительности Галилея утверждает, что законы механики инвариантны относительно преобразований Галилея. Это означает, что если в уравнениях, отражающих какие-либо законы механики, заменить r(t) и t на r′(t) и t′ = t, то вид уравнений не должен измениться.

Утверждения 1 – 8 соответствовали совокупности экспериментальных данных, имеющихся в то время.

Созданная Ньютоном концепция абсолютного пространства и абсолютного времени безраздельно господствовала в науке вплоть до конца XIX века. Ее ограниченность стала выясняться лишь в связи с развитием представлений об электромагнетизме. Чтобы более глубоко понять, как происходил переход к современным пространственно-временным представлениям, рассмотрим хронологию событий, которые привели к становлению специальной теории относительности (СТО).

Развитие оптики и электродинамики в конце XIX века привели к попыткам распространить законы механики и на эти области физики. Попытки эти привели к неудачам. Оказалось, что уравнения Максвелла, лежащие в основе электродинамики, описывающие электромагнитное поле и опирающиеся на прочный фундамент известных к тому времени законов электричества и магнетизма, оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея. Это было воспринято как несоответствие принципу относительности Галилея, а, следовательно, как серьезное возражение против самой теории. Однако эксперименты Г.Герца с электромагнитными волнами подтвердили большинство выводов теории Максвелла, после чего ее достоверность стала считаться установленной. В результате на какое-то время под сомнением оказался принцип относительности Галилея: который первоначально был получен для механических явлений. Это выразилось в появлении концепции абсолютного эфира.

В соответствии с этой концепцией, средой, в которой распространяются электромагнитные волны, служит абсолютно неподвижный эфир, заполняющий все мировое пространство. Полагали, что уравнения Максвелла справедливы в системе отсчета, покоящейся относительно мирового эфира. Раз эфир представлял собой некоторую среду, были сделаны попытки обнаружить движение тел. например, источников света, по отношению к этой среде. Обнаружение движения тел относительно эфира привело бы к созданию абсолютной системы координат, по отношению к которой можно было бы рассматривать движение всех других систем. Другими словами, с неподвижным эфиром можно связать абсолютно неподвижную систему отсчета. Тогда скорость света в какой-либо системе отсчета, движущейся относительно эфира (например, в системе отсчета, связанной с Землей), должна зависеть от того, в каком направлении распространяется свет. В 1887 г. Майкельсон и Морли поставили опыты, в которых пытались обнаружить движение Земли относительно эфира, так называемый «эфирный ветер». В этих опытах «эфирный ветер» обнаружить не удалось, что противоречило гипотезе неподвижного эфира. Эксперименты показали, что скорость света одинакова во всех направлениях и не зависит от движения источника света. Пытаясь преодолеть это противоречие, предположили, что эфир частично или полностью «увлекается» движущимися телами, но в этом случае должно было бы иметь место взаимодействие («трение») между эфиром и движущимися телами, приводящее к торможению тел. Это предположение не подтвердилось в опытах Физо. Кроме того, чтобы согласовать свойства эфира с поперечностью электромагнитных волн, нужно было считать эфир «твердым телом», которое, в то же время, не оказывает никакого влияния на движение других тел. Эти противоречия привели в конце концов к отказу от теории эфира. Исчерпывающее непротиворечивое объяснение всех опытных фактов, в том числе и результатов опытов Майкельсона и Морли, было дано А.Эйнштейном в созданной им в 1905 г. специальной теории относительности.