Переворот в представлениях о пространстве и времени

Макс фон Лауэ, автор первой монографии по теории относи­тельности, вышедшей в 1911 г., указывал позднее в своей «Ис­тории физики» на то, что с античных времен наибольшее волне­ние у людей вызывали те физические теории, которые посягали на традиционные представления о пространстве и времени. Именно поэтому работы А. Эйнштейна по этим проблемам при­влекли к себе столь необычно большое внимание. Были опубли­кованы тысячи книг и брошюр, авторы которых выступали как в защиту теории относительности, так и против нее.

Исследования Эйнштейна по теории относительности от­крывались статьей «К электродинамике движущихся тел» объе­мом в 30 печатных страниц, опубликованной в 1905 г. в журнале «Аннален дер физик». Именно эту статью и следует считать фактическим «свидетельством о рождении» теории относитель­ности. В том же 1905 г. в упомянутом журнале появилось суще­ственное дополнение к первой статье. Статья носила название «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» Обе эти статьи вошли в опубликованный в 1913 г. томик «Прин­цип относительности», представлявший собой сборник осново­полагающих документов по истории теории относительности.

Каково было положение в физике с вопросами пространства и времени, которые рассматривал Эйнштейн в своих исследова­ниях по теории относительности?

В XIX столетии первоначально господствовала механиче­ская теория света. Согласно этой теории, свет представляет собой волновое движение некоторой упругой среды, которую называли световым эфиром или просто эфиром. Предполага­лось, что эфир проникает через все тела, не принимая, однако, участия в их движении. Поскольку с течением времени стало все труднее согласовывать новые результаты исследований в об­ласти оптики с механической гипотезой эфира, физики решили трактовать свет как некое особое «состояние» эфира. Такое со­стояние предполагалось рассматривать как электромагнитное силовое поле, которое было введено в науку Фарадеем и описа­но Максвеллом с помощью удивительной системы абстрактных математических уравнений.

Учение о световом эфире было тесно связано со взятым из «Механики» И. Ньютона представлением об «абсолютном про­странстве». Ньютон писал: «Абсолютное пространство остается в силу своей природы безотносительно к какому-либо внешнему предмету всегда одинаковым и неподвижным ».

В соответствии с представлением о неподвижном световом эфире, его считали как бы воплощением «абсолютного про­странства» и рассматривали как абсолютную систему отсчета. В такой системе можно было бы однозначно описывать все проис­ходящие в мире движения, указывая абсолютное положение тел.

Кроме того, Ньютон придерживался мнения, что существует и «абсолютное время». Он писал: «Абсолютное, истинное и ма­тематическое время течет само по себе и в силу своей природы равномерно и безотносительно к какому-либо внешнему предме­ту».

Согласно этому воззрению, существует равномерное тече­ние времени. Следовательно, можно представить себе, что во Вселенной имеется нечто вроде «нормальных часов», позво­ляющих отсчитывать ход этого «абсолютного времени» из любо­го места. Наконец, в соответствии с представлениями об «абсо­лютном пространстве» и «абсолютном времени» Ньютон говорил и об «абсолютном движении»; он определял его как «пере­мещение тела из одного абсолютного места в другое абсолют­ное место».

Несмотря на возражения, высказывавшиеся в свое время Лейбницем, ньютоновское представление об абсолютном вре­мени, пространстве и движении считалось неоспоримым на про­тяжении двухсот лет. Ни один физик не мог серьезно помыслить и тем более отважиться поставить под сомнение принципы Нью­тона.

Первым, кто выступил с критикой этих принципов, был Эрнст Мах. В своей «Механике» он подверг нападкам взгляды Ньютона на абсолютные время, пространство и движение и попытался их опровергнуть. Критикуя ньютоновские догмы, Мах руководство­вался положением, что «чувственно необнаруживаемое» лишено для естествознания какого-либо значения и не имеет права на существование. Требование, заключающееся в том, что в естественнонаучное рассмотрение следует вовлекать только на­блюдаемые величины и не применять законы физики за преде­лами той области, в которой они имеют смысл, играло для моло­дого Эйнштейна важную эвристическую роль в период его рабо­ты над теорией относительности.

В экспериментальной физике ньютоновские догмы о про­странстве, времени и движении также оказались поставленными под сомнение. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Наша Солнечная система летит в мировом пространстве со скоростью около 20 км/с. Наконец, наша Галактика также со значительной скоростью движется от­носительно других, удаленных от нее галактик. Следовательно, если световой эфир покоится в «абсолютном пространстве», а небесные тела проходят через него, то их движение по отноше­нию к эфиру должно вызывать заметный «эфирный ветер», ко­торый можно было бы обнаружить с помощью тонких оптических приборов.

В серии работ Френеля (Огюстен Жан Френель) и последующей экспериментальной проверки были последовательно отвергнуты гипотезы: - “неподвижного эфира”, “увлекаемого эфира”, “частично увлекаемого эфира”. Точку в этом вопросе поставил Джеймс Клерк Максвелл, который предложил для описания электрических и магнитных явлений использовать систему из четырёх уравнений. Уравнения великолепно описывали наблюдаемые явления и из них следовало существование новой сущности – поля. Эфир стал не нужен! Поэтому, даже несмотря на некоторое противоречие в экспериментах, современная физика отвергает существование эфира.

Для выяснения этого вопроса американский физик польско­го происхождения Альберт Майкельсон, работавший в 1881 г. у Гельмгольца в Берлине и Потсдаме, поставил свой первый экс­перимент. Согласно гипотезе о неподвижности эфира, можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир. Но смещение интерференционной картины не было обнаружено. Через несколько лет (в 1885-87 г.), находясь в США, Майкельсон совместно с У. Морли повторил этот эксперимент с помощью разработанного им и изготовленного с большой точностью зер­кального интерферометра. Скорость света оказалась совершенно постоянной и не зависящей от движения источника света и наблюдателя. «Опыт Майкельсона», один из самых зна­менитых экспериментов в истории физики. В 1964 году американские физики повторили опыт Майкельсона с использованием в качестве источника света двух одинаковых гелий-неоновых лазеров, обладающих очень высо­кой степенью монохроматичности и пространственной когерент­ности, и снова получили отрицательный результат.

Чтобы объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона пришлось использовать предположение о сокращении размеров движущегося тела в направлении движения. В этом случае измерения находились в хорошем согласии с теорией. Однако поначалу считалось, что это просто математическая особенность вычислений, не имеющая физического смысла. Эйнштейн предложил другое решение.

Анализ роли времени непосредственно привел к исследова­ниям по теории относительности. Эйнштейн начал с изучения понятия одновременности. Полученные им результаты могут быть резюмированы следующим образом. Если бы передавае­мые сигналы могли распространяться с бесконечно большой скоростью, то с научной точки зрения имело бы полный смысл говорить об абсолютной одновременности событий, происходя­щих в двух удаленных друг от друга точках. Но так как скорость света, представляющая собой максимальную скорость передачи сигналов, все же конечна и притом имеет одну и ту же величину для всех наблюдателей, понятие «абсолютной одновременно­сти» лишено физического смысла и поэтому не может приме­няться в теории. Можно рассуждать чуть иначе. Существует ли в природе бесконечно большая скорость? Если да, то тело движущееся к удалённой точке “размазывается” по всем точкам пути, ведь оно одновременно появляется во всех точках!

Поскольку все суждения, в которых какую-то роль играет время, всегда представляют суждения об одновременных собы­тиях, введение представления об относительном характере по­нятия одновременности с логической необходимостью влечет за собой и релятивизацию понятия времени. Если невозможна аб­солютная одновременность, то не может существовать и абсо­лютное время, одинаковое во всех системах координат. Каждая система отсчета имеет свое собственное время, свое «локаль­ное время». Ключевым моментом всей проблемы, как отметил впоследствии Эйнштейн, было постоянство скорости света в пустом пространстве.

Учение Эйнштейна о времени было совершенно новым сло­вом в науке. Ни один физик или философ до него не размышлял так глубоко о понятии одновременности и не пришел к столь далеко идущим выводам. Руководствуясь требованиям Маха о том, что понятия и величины, не имеющие физического смысла, не должны фигурировать в теории, поскольку они принципиально не могут быть проверены на опыте, Эйнштейн пришел к выводу о необходимости отказа от ньютоновского понятия «абсолютного времени».

Так как время и движение тесно связаны друг с другом - время, как говорил Маркс, есть «количественное бытие движе­ния», - в результате признания относительности понятия време­ни устраняется также и понятие «абсолютное движение». Дви­жение тела или системы отсчета можно сравнивать лишь с дви­жением другого тела или другой системы отсчета и только по отношению к ним можно численно его определять. «Абсолютного движения» не существует. «Специальный принцип относитель­ности» Эйнштейна утверждает, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу прямолинейно и равно­мерно, действуют одни и те же законы природы. При переходе от одной системы отсчета к другой, пространственные и временные координаты преобразуются в соответствии с особыми уравне­ниями, которые называются преобразованиями Лоренца. Лоренц вывел свои преобразования в 1904 году. Пусть t и t¹ -интервалы времени в системах, которые движутся со скоростью V, x - про­странственная координата, с - скорость света. Тогда

События, одновременные для одного наблюдателя (t=0) бу­дут неодновременными для другого (t¹ ≠ 0). Отсюда, понятие одновременности относительно.

Созданная в 1905 г. теория относительности привела к тому, что гипотеза эфира как носителя световых волн была устранена из физической картины мира. Как позднее писал Эйнштейн, све­товой эфир и без того влачил «призрачное существование» в физической науке. Эйнштейн заменил эфир электромагнитным полем, которое он рассматривал как самостоятельную физиче­скую реальность. Это также было смелым нововведением. «Безэфирная физика» была создана Эйнштейном.

Устранение гипотезы светового эфира было гениальным ак­том отрицания. Позитивным же моментом в теории Эйнштейна была прежде всего формулировка принципа, согласно которому скорость света в пустоте (обозначаемая буквой с) вводилась в качестве универсальной постоянной во все основные физиче­ские законы.

Эйнштейн первый заметил, что скорость света играет в ме­ханике такую же важную роль, как и в оптике. Скорость света выступает здесь как недостижимый верхний предел скоростей для всех процессов, сопровождающихся передачей силы или переносом энергии. Скорость этих процессов никогда не может достичь скорости света и тем более превзойти ее, даже в том случае, когда к начальной скорости добавляется сколь угодно большое число скоростей.

Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых «парадокса» теории относительности, которые привлекли к себе очень большое внимание и в течение многих лет являлись предметом горячих споров. Физики и философы, которые были не в состоянии избавиться от традиционных механистически-метафизических представлений, либо яростно возражали против этих «бессмысленных» следствий теории относительности, либо высмеивали их. Но даже тем, кто был готов следовать за Эйн­штейном в его необычных рассуждениях, подчас было нелегко соглашаться с ним.

Один из парадоксов заключается в том, что размеры быстро движущихся тел сокращаются в направлении их движения по сравнению с их длиной в состоянии покоя. Именно эта пробле­ма, возникшая в связи с результатом опыта Майкельсона, побу­дила Лоренца выдвинуть его электродинамическую гипотезу со­кращения. Эйнштейн показал, что сокращение можно объяснить, рассматривая относительную скорость движения обеих систем отсчета.

Другой парадокс касается замедления хода часов в быстро движущейся системе по сравнению с часами, находящимися в системе, покоящейся по отношению к первой. Предсказываемый релятивистской теорией эффект замедления времени состоит в том, что с точки зрения движущегося относительно рассматри­ваемой системы наблюдателя все интервалы времени (t'), ха­рактеризующие процессы в этой системе (колебания маятников часов, распад нестабильных частиц, старение биологических организмов и т.д.) увеличиваются по сравнению с интервалами,

наблюдаемыми в самой этой системе (t₀):

(1)

Для находящихся же в самой рассматриваемой системе наблю­дателей происходящие в ней процессы протекают совершенно нормально, а время у движущегося наблюдателя "течет замед­ленно".

Эффект сокращения расстояний состоит в уменьшении длин отрезков с точки зрения наблюдателей, перемещающихся вдоль этих отрезков (отрезки, ориентированные перпендикулярно ско­рости относительного движения сохраняют свою длину неизмен­ной):

(2)

Описанные эффекты проявляются лишь при скоростях, срав­нимых со скоростью света и в насто-ящее время эксперимен­тально зарегистрированы в пучках ультрарелятивискских частиц, создавае-мых на современных ускорителях. Например, короткоживущие частицы (время жизни т₀), двигаясь с околосветовыми скоростями, вопреки классическим представлениям, достигают приемника, удален-ного на расстояние, значительно превышаю­щее l = c -т₀. С точки зрения неподвижного наблюдате-ля это явление можно объяснить эффектом замедления времени (1 ), "удлиняющим" жизнь частицы, с точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с частицей - эффектом сокращения рас­стояния до мишени, "летящей ему навстречу" (2). Здесь речь идет о «дилатации» времени, которую называют также растяже­нием или искажением времени.

Из нее, например, должно следовать, что космонавт в кос­мическом корабле, который в течение длительного времени с очень большой скоростью летит через Вселенную, при своем возвращении на Землю окажется моложе своего брата-близнеца, остававшегося все это время дома. Это объясняется тем, что часы космонавта, а вместе с ними и все физиологиче­ские процессы идут медленнее, чем часы (и соответственно аналогичные процессы) на Земле. Разумеется, для того чтобы можно было заметить «парадокс часов» (или «парадокс близне­цов»), скорость движения космического корабля должна быть достаточно близка к скорости света - условие, которое в совре­менной космонавтике не выполняется даже отдаленно.

При больших скоростях меняется также закон сложения скоростей

Из уравнения видно, что при сложении результирующая скорость всегда меньше скорости света. Скорость света, сло­женная с любой скоростью, дает одно и тоже значение с.

Пока отсутствовали экспериментальные доказательства ре­лятивистского растяжения времени, существование этого явле­ния оспаривалось особенно горячо.

· В конце 30-х гг. оно, однако, было бесспорно установлено в опытах с возбужденными водо­родными атомами.

· Но с особой убедительностью оно было дока­зано позднее при изучении космических лучей, где частицы дви­жутся с чрезвычайно большими скоростями, и поэтому растяже­ние времени достигает сравнительно больших значений.

· Создатель первого циклотрона Э.Лоуренс стал строить 6-метровый циклотрон, который никак не ускорял протоны до нужной энергии! Оказывается не были учтены как раз релятивистские поправки, учёт которых показал, что на циклотроне можно ускорять частицы лишь до некоторой, по современным меркам невысокой, энергии.

Специальная теория относительности Эйнштейна (1905 г.) означала конец механистической картины природы. Она пред­ставляла собой один из величайших переворотов в истории ес­тествознания и одновременно торжество диалектики в основах физической науки. Эйнштейн «снял» в диалектическом смысле механистически-метафизическое представление о времени и движении, нашедшее выражение в классических законах движе­ния Ньютона. Теперь ученые рассматривают законы Ньютона как значения более общего закона для скоростей, малых по сравне­нию со скоростью света. Метафизическое мировоззрение Нью­тона, которое в свое время было необходимым и оправданным, столкнулось в ходе физического прогресса с непреодолимыми трудностями. Силой своего диалектического мышления Эйн­штейн преодолел эти трудности и наметил пути дальнейшего развития физики. Его заслуги нисколько не умаляет то обстоя­тельство, что другие исследователи еще до него разработали формально-математические решения назревших проблем элек­тродинамики движущихся тел.

Лишь немногие физики смогли сразу же понять, что теория Эйнштейна представляет собой гениальное открытие. К их числу принадлежал Макс Планк - первый известный теоретик того времени, который оценил эпохальное значение статьи Эйнштей­на «К электродинамике движущихся тел». «Эйнштейновская кон­цепция времени, - так заявил Планк в одной своей лекции, -превосходит по смелости все, что до этого было создано в умо­зрительном естествознании и даже в философской теории по­знания». Однако многие выдающиеся специалисты, в особенно­сти среди физиков-экспериментаторов, еще долгое время отно­сились к учению Эйнштейна с недоверием.

Математическое завершение специальная теория относи­тельности получила в работах Германа Минковского, который ранее был учителем Эйнштейна в Цюрихе, а затем занимал пост профессора математики в Геттингене, где он умер в 1909 г., бу­дучи еще в полном расцвете сил. В своем вызвавшем сенсацию докладе о пространстве и времени, прочитанном им осенью 1908 г. на собрании естествоиспытателей в Кельне, Минковский сказал: «Представления о пространстве и времени, которые я собираюсь развить перед вами, выросли на почве эксперимен­тальной физики. В этом заключается их сила. Они приведут к радикальным следствиям. Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоя­тельное существование».

С тех пор четырехмерный континуум пространства-времени, так называемый «мир Минковского», стал неотъемлемой частью теории относительности.