Два важных следствия

Из специальной теории относительности вытекают два важных следствия. Они касаются взаимозависимости между массой и скоростью, а также между массой и энергией. Диалек­тический характер этих проблем представляется очевидным. Найденное Эйнштейном решение выходит по своему значению далеко за пределы круга результатов, представляющих чисто научный интерес.

До Эйнштейна инертная масса, т.е. инерциальное сопро­тивление тела, рассматривалась как неизменная величина. Это соответствовало механистически-метафизическим представле­ниям ньютоновской натурфилософии. Еще в 1895 г. в докладе на Собрании естествоиспытателей в Любеке Освальд ссылался на классическое представление о неизменности массы. Однако вскоре после этого, в 1901 г., физики-экспериментаторы обнару­жили в опытах с быстро движущимися электронами, что масса электрона возрастает при увеличении скорости. Теперь этот факт получил научное обоснование в эйнштейновской теории относительности.

Пока скорость движущегося тела мала по сравнению со ско­ростью света, возрастание массы, обусловленное движением, остается незначительным. Поэтому в классической механике, имеющей дело с малыми скоростями больших тел, такое возрас­тание не обнаруживается. Наоборот, в релятивистской механике увеличение массы играет важную роль. Правильность этого вы­вода Эйнштейна была практически доказана атомной физикой, когда были созданы гигантские установки для ускорения элемен­тарных частиц.

Второе следствие еще более важно. Его значение выходит далеко за пределы физики и техники. Оно определяет судьбы народов и будущее всего человечества.

Вскоре после опубликования статьи «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн писал своему другу Конраду Габихту: «Мне пришло в голову еще одно следствие электродинами­ческой работы. Из принципа относительности в сочетании с фундаментальными уравнениями Максвелла следует, что масса должна быть непосредственной мерой энергии, содержащейся в теле; свет переносит массу. У радия должно происходить замет­ное убывание массы. Это соображение радует и подкупает. Од­нако не смеется ли по этому поводу и не водит ли меня за нос господь бог - этого я не могу знать».

Результаты, вытекающие из такого «радующего и подку­пающего соображения», Эйнштейн изложил в уже упоминавшей­ся выше статье о связи между инерцией тела и содержащейся в нем энергий. Упомянутая статья объемом в три печатных стра­ницы принадлежит к самым коротким и в то же время ни с чем не сравнимым по важности последствий публикациям в мировой истории естествознания. Она содержит основные положения закона об эквивалентности массы и энергии. Закон изменения массы со скоростью имеет вид:

где m -масса движущегося тела, m_o - масса покоя. Отсюда, масса тела и его энергия оказываются связанными величинами: масса тела есть мера содержащейся в нем энергии. Если энергия Е меняется на величину АЕ, то масса меняется соответственно на величину Am.

Математическим выражением закона Эйнштейна является всемирно знаменитая, теперь уже почти вошедшая в поговорку формула E = тс². Она гласит, что любой перенос энергии (Е) всегда связан с переносом соответствующей массы (т), а квад­рат скорости света с играет здесь роль коэффициента пропор­циональности. Эта формула также трактуется как выражение, описывающее «превращение» массы в энергию. Именно на этом представлении основано объяснение так называемого дефекта массы. В механических, химических, тепловых и электрических процессах он слишком мал и поэтому оставался незамеченным. Однако в атомной физике он имеет большое значение. Дефект массы заключается в том, что сумма масс отдельных составных частей атомного ядра может быть больше массы атомного ядра в целом. Это следует понимать таким образом, что недостающая масса превратилась в энергию связи, необходимую для удержа­ния в ядре входящих в его состав частей. Атомная энергия есть не что иное, как превратившаяся в энергию масса. В искусствен­но вызываемых ядерных реакциях происходит освобождение этой могучей энергии.

Открытая Эйнштейном эквивалентность массы и энергии позволила упростить все физические законы сохранения. Оба закона - сохранения массы и сохранения энергии, - до этого существовавшие отдельно друг от друга, превратились теперь в один общий закон, который можно сформулировать следующим образом: для замкнутой материальной системы сумма массы и энергии остается неизменной при любых процессах.

Главным выводом теории относительности Эйнштейна яв­ляется как раз установление того, что пространство и время су­ществуют не сами по себе, в отрыве от материи, а находятся в такой тесной универсальной взаимосвязи, в которой они теряют самостоятельность и выступают как относительные стороны единого и неделимого пространства-времени. Наукой доказано, что течение времени и протяжённость тел зависят от скорости движения этих тел, и что структура или геометрические свойства этого четырёхмерного континуума (пространства-времени) из­меняются от скопления масс вещества и порождаемого ими поля тяготения. Тяготение - это искривление пространства-времени. Это предположение было подтверждено в 1919 г. астрономиче­скими наблюдениями, показавшими, что луч света звезды как

прообраз прямой линии искривляется вблизи Солнца вследствие его поля тяготения.

В создании современной теории пространства и времени сыграли большую роль идеи Лобачевского, Римана, Маха, Гаус­са, Эйнштейна и других учёных. Открытие неевклидовой геомет­рии опровергло кантовское учение о пространстве и времени как о внеопытных формах чувственного восприятия. Исследования Бутлерова, Фёдорова и их последователей обнаружили зависи­мость пространственных свойств от физической природы мате­риальных тел, обусловленность физико-химических свойств материи пространственным расположением атомов.

В настоящее время в философской литературе определи­лись несколько значений, в которых употребляются понятия про­странства и времени: наиболее распространенные значения - реальное, перцептуальное и концептуальное пространство и время.

Под реальным пространством и временем понимаются ус­ловия сосуществования и смены состояний материальных объ­ектов и явлений, объективно реальные формы существования материи. Перцептуальные пространство и время суть условия сосуществования и смены наших ощущений и других психиче­ских актов субъекта. Концептуальные же пространство и время представляют собой абстрактные математические структуры, которые могут моделировать реальные пространственно-временные отношения.

Перцептуальные пространство и время отражают реальное пространство и время на уровне чувственного опыта индивидуу­ма. На рациональном же уровне познания отражением реально­го пространства и времени выступают концептуальные про­странство и время. При изучении роли и места понятий про­странства и времени в структуре физической теории интерес представляют в первую очередь концептуальные пространство и время как элементы теоретического знания.

В широком смысле под концептуальным пространством по­нимается множество, в котором введены определенные системы отношений между элементами. Примером таких отношений меж­ду элементами служат метрические отношения, вводимые с по­мощью «аксиом расстояния».

Все концептуальные пространства можно условно разде­лить на три типа. Это концептуальные пространства:

1) чистой геометрии, не имеющие эмпирической интерпре­тации и не используемые в физике;

2) не имеющие явной эмпирической интерпретации, но ис­пользуемые в физике в качестве удобного математического формализма. В дальнейшем эти пространства могут получить эмпирическую интерпретацию и перейти в разряд физических пространств;

3) физики, которые получили в рамках данной теории эмпи­рическую интерпретацию и входят в структуру физической тео­рии.

Принцип зависимости пространства от находящейся в ней материи получил в физической литературе название «принцип Маха». В своей «Механике» Мах показывает недостаточную ло­гическую оправданность ряда предпосылок ньютоновской меха­ники, принимавшихся до этого времени в физике как нечто само­очевидное. В классической механике ряд физических явлений объясняется через отнесение их к абсолютному пространству. Мах же объясняет их по-другому. Вот как он, например, опровер­гает знаменитый ньютоновский эксперимент с вращающимся сосудом, с помощью которого якобы обнаруживается «абсолют­ное пространство». «Опыт Ньютона с вращающимся сосудом с водой показывает только то, что относительное вращение воды по отношению к стенкам не побуждает заметных центробежных сил, но эти последние побуждаются относительным вращением по отношению к массе Земли и остальным небесным телам. Никто не может сказать, как протекал бы опыт, если бы стенки сосуда становились все толще и массивнее, пока, наконец, их толщина не достигла бы нескольких миль». Хотя для Маха поня­тие тел (материи) «суть лишь абстракция, символы для комплек­сов элементов («комплексов ощущений»)», основную его мысль, можно выразить так: все, что происходит в мире, есть результат взаимодействия материальных тел.

Эйнштейн воспринял у Маха принцип относительности про­странства, но интерпретировал его с естественнонаучных, стихийно-материалистичских позиций. Сам термин «принцип Маха» впервые появился в 1918 г. в работе Эйнштейна «Принципи­альное содержание общей теории относительности» и был оп­ределен так: «G - поле (гравитационное) полностью определено массами тел».

В этой же статье Эйнштейн писал: «Теория, как мне кажется сегодня, покоится на трех основных положениях, которые ни в коей степени не зависят друг от друга... а) Принцип относитель­ности... ; б) Принцип эквивалентности... ; в) Принцип Маха».

Возникает необходимость проанализировать значение для пространст­венно-временного описания принципа наблюдаемости, тем бо­лее, что некоторые авторы полагают, что понятия пространства и времени должны быть изгнаны из физики микромира как нена­блюдаемые.

Часто выделяют три основных значения термина «наблю­даемость»: 1 ) непосредственная наблюдаемость; 2) принципи­альная наблюдаемость; 3) опытная проверяемость. Непосред­ственная наблюдаемость предполагает наличие в структуре фи­зической теории лишь тех величин, которые имеют опера­циональные определения. Принципиальная наблюдаемость тре­бует только принципиальной возможности прямого или косвенно­го измерения физических величин. И, наконец, опытная прове­ряемость связана с проверкой не самого физического положе­ния, входящего в структуру физической теории, а тех следствий из теории, которые проверяются на практике. Общеизвестно, что в первом смысле термин «наблюдаемость» в современной фи­зике не употребляется. Вопрос о том, «работают» ли в естество­знании две другие («ослабленные») формулировки этого терми­на, вызывает споры. Так, некоторые авторы считают, что термин «наблюдаемость» применительно к пространству и времени, как и к другим теоретическим объектам, можно применять лишь в третьем, самом «слабом» его значении. По их мнению, абсолют­ное пространство и абсолютное время в классической механике Ньютона принципиально не наблюдаемы, но их применение в теории ведет к опытно проверяемым следствиям. Отметим, од­нако, что с современной точки зрения классическую механику модно изложить без привлечения понятия абсолютного про­странства, о чем пойдет речь ниже.

По-видимому, в применении к понятиям пространства и времени необходимо использовать второе значение термина «наблюдаемость», в частности потому, что пространство и вре­мя связаны с самим фактом существования физических объектов. Если отказаться от принципиальной наблюдаемости, оставляя, тем не менее понятие «про­странство и время» в структуре физической теории, то с необхо­димостью придется сделать вывод о принципиальной ненаблю­даемости описываемых физической теорией объектов.

Из изложенного следует, что понятия пространства и вре­мени вводятся в структуры физической теории по формальному и смысловым признакам. В первом случае статус пространства и времени приобретает та часть математического формализма, которая находится ближе всего к языку наблюдений, во втором - та его часть, которая может быть достаточно удалена от непо­средственного опыта, но позволяет ввести единую иконическую модель физической реальности .

Вообще говоря, понятие пространства вводится в структуру физической теории и при помощи таких математических форма­лизмов, как абстрактные физические пространства - конфигура­ционное, фазовое, гильбертово и т.д. Не исключено, что некото­рые из этих пространств со временем приобретут пространст­венно-временной статус. Этот способ вхождения понятий про­странства и времени в структуру физической теории можно обо­значить как абстрактный.

Формальное вхождение понятий пространства и времени в структуру физической теории связано исключительно с эмпири­ческой интерпретацией ее формализма, смысловое же - прежде всего с семантической интерпретацией, в частности, с использо­ванием некоторых философских или «полуфилософских» поло­жений, таких как положение о реальности «мира Минковского», принцип Маха и т.п. Отметим, что определение физической тео­рии как своего рода модели позволяет рассматривать эти поло­жения не только как метатеоретические суждения, но и как эле­менты физической теории, что было бы невозможно, если рас­сматривать физическую теорию как некоторый теоретический формализм, связанный только с языком наблюдений.