Философские аспекты теории относительности
1. Общие
положения
теории относительности
Чтобы
увидеть значение
теории относительности
Эйнштейна
для
эволюции
физической
мысли, следует
прежде всего
остановиться
на
самых общих
понятиях
относительности
положения и
движения тел
и
однородности
пространства
и времени. В
теории Эйншиейна
фигуриру-
ет
однородность
и изотропность
пространства-времени.
Представим
себе материальную
частицу, затерянную
в бесконеч-
ном,
абсолютно
пустом пространстве.
Что в этом случае
означают
слова
"пространственное
положение"
частицы? Соответствует
ли этим
словам
какое-либо
реальное свойство
частицы?
Если
бы в пространстве
существовали
другие тела,
мы могли бы
определить
по отношению
к ним положение
данной частицы,
но если
пространство
пусто, положение
данной частицы
оказывается
бессо-
держательным
понятием.
Пространственное
положение имеет
физичес-
кий
смысл только
в том случае,
когда в пространстве
имеются иные
тела,
служащие телами
отсчета. Если
брать в качестве
тел отсчета
разные
тела, мы придем
к различным
определениям
пространственного
положения
данной частицы.
С любым телом
мы можем связать
некото-
рую
систему отсчета,
например систему
прямоугольных
координат.
Такие
системы равноправны:
в какой бы системе
отсчета мы ни
опре-
деляли
положение
точек, из которых
состоит данное
тело, размеры
и
форма тела
будут одними
и теми же, и, измеряя
расстояния
между
точками,
мы не найдем
критерия, чтобы
отличить одну
систему отс-
чета
от другой. Мы
можем поместить
начало координат
в любой точке
пространства,
мы можем затем
перенести это
начало в любую
другую
точку,
либо повернуть
оси, либо сделать
и то и другое
- форма и
размеры
тела при таком
переносе и
повороте не
изменятся, так
как
не изменится
расстояние
между любыми
двумя фиксированными
точками
этого
тела. Неизменность
этого расстояния
при переходе
от одной
системы
отсчета к другой
называют 1
инвариантностью 0
по отношению
к
указанному
переходу. Мы
говорим, что
расстояния
между точками
те-
ла являются 1
инвариантами 0
при переходе
от одной прямоугольной
сис-
темы координат
другой, с иным
началом и иным
направлением
осей.
Расстояния
между точками
тела служат
инвариантами
таких коорди-
натных
преобразований.
В инвариантности
расстояний
между точками
относительно
переноса начала
координат
выражается
однородность
пространства,
равноправность
всех его точек
относительно
начала
координат.
Если
точки пространства
равноправны,
то мы не можем
опреде-
лить
пространственное
положение тела
абсолютным
образом, мы
не
можем найти
привилегированную
систему отсчета.
Когда мы говорим
о
положении
тела, т.е. о координатах
его точек, то
необходимо
ука-
зывать
систему отсчета.
"Пространственное
положение"
в этом смыс-
ле
является
относительным
понятием -
совокупностью
величин, кото-
рые
меняются при
переходе от
одной системы
координат к
другой
системе,
в отличие от
расстояний
между точками,
которые не
меня-
ются при
указанном
переходе.
Однородность
пространства
выражается,
далее, в том,
что сво-
бодное
тело, переходя
из одного места
в другое, сохраняет
одну и
ту же
скорость и
соответственно
сохраняет
приобретенный
им им-
пульс.
Каждое изменение
скорости и,
соответственно,
импульса,
мы
объясняем
не тем, что тело
передвинулось
в пространстве,
а взаи-
модействием
тел. Изменение
импульса данного
тела мы относим
за
счет некоторого
силового поля,
в котором оказалось
рассматривае-
мое
тело.
Нам известна
также однородность
времени. Она
выражается
в
сохранении
энергии. Если
с течением
времени не
меняется
воздейс-
твие,
испытываемое
данным телом
со стороны
других тел,
иными сло-
вами,
если иные тела
действуют
неизменным
образом на
данное тело,
то
энергия его
сохраняется.
Мы относим
изменение
энергии тела
за
счет изменения
во времени
действующих
на него сил, а
не за счет
самого
времени. Время
само по себе
не меняет энергии
системы, и в
этом
смысле все
мгновения
равноправны.
Мы не можем
найти во вре-
мени
привилегированного
мгновения,
также как не
можем найти
в
пространстве
точку, отличающуюся
от других точек
по поведению
по-
павшей в
эту точку частицы.
Поскольку все
мгновения
равноправны,
мы
можем отсчитывать
время от любого
мгновения,
объявив его
на-
чальным.
Рассматривая
течение событий,
мы убеждаемся,
что они
протекают
неизменным
образом, независимо
от выбора начального
мо-
мента, начала
отсчета времени.
Мы
могли бы сказать,
что время
относительно
в том смысле,
что
при переходе
от одного начала
отсчета времени
к другому опи-
сание
событий остается
справедливым
и не требует
пересмотра.
Од-
нако обычно
под относительностью
времени понимают
нечто иное.
В
простом и
очевидном
смысле независимости
течения событий
от выбо-
ра
начального
момента относительность
времени не
могла бы стать
основой
новой теории,
совсем не очевидной,
опрокидывающей
обычное
представление
о времени.
Под
относительностью
времени мы
будем понимать
зависимость
течения
времени от
выбора пространственной
системы отсчета.
Соот-
ветственно
абсолютным
временем называется
время, не зависящее
от
выбора
пространственной
системы координат,
протекающее
единооб-
разно
на всех движущихся
одна относительно
другой системах
отсче-
та, -
последовательность
моментов, наступающих
одновременно
во
всех точках
пространства.
В классической
физике существовало
представление
о потоке времени,
который не
зависит от
реальных
движений
тела, - о времени,
которое течет
во всей Вселенной
с од-
ной и той
же быстротой.
Какой реальный
процесс лежит
в основе по-
добного
представления
об абсолютном
времени, о мгновении,
однов-
ременно
наступающем
в отдаленных
пунктах
пространства?
Вспомним
условия отождествления
времени в разных
точках
пространства.
Время
события, происшедшего
в точке а 41 0, и
время события,
происшелшего
в точке а 42 0
можно отождествить,
если события
связаны
мгновенным
воздействием
одного события
на другое. Пусть
в точке
а 41 0
находится
твердое тело,
соединенное
абсолютно
жестким, совер-
шенно
недеформирующимся
стержнем с
телом, находящимся
в точке а 42 0.
Толчок,
полученный
телом в точке
а 41 0, мгновенно,
с бесконечной
скоростью,
передается
через стержень
телу в точке 4
0а 42 0. Оба тела
сдвинутся
в одно и то же
мгновение. Но
все дело в том,
что в при-
роде
нет абсолютно
жестких стержней,
нет мгновенных
действий од-
ного
тела на другое.
Взаимодействия
тел передаются
с конечной
скоростью,
никогда не
превышающей
скорости света.
В стержне,
сое-
диняющем
тела, при толчке
возникает
деформация,
которая распрост-
раняется
с конечной
скоростью от
одного конца
стержня к
другому,
подобно
тому, как световой
сигнал идет
с конечной
скоростью
от
источника
света к экрану.
В природе нет
мгновенных
физических
процессов,
соединяющих
события, происшедшие
в удаленных
один от
другого
пунктах пространства.
Понятие "один
и тот же момент
вре-
мени" имеет
абсолютный
смысл, пока мы
не сталкиваемся
с медленны-
ми
движениями
тел и можем
приписать
бесконечную
скорость светово-
му
сигналу, толчку,
переданному
через твердый
стержень или
любому
другому
взаимодействию
движущихся
тел. В мире быстрых
движений,
при
сравнении с
которыми
распространению
света и взаимодействию
между
телами уже
нельзя приписывать
бесконечно
большую скорость,
-
в этом мире
понятие одновременности
имеет относительный
смысл,
и мы должны
отказаться
от привычного
образа единого
времени, те-
кущего
во всей Вселенной,
- последовательности
одних и тех
же,
одновременных,
моментов в
различных
пунктах
пространства.
Классическая
физика исходит
из подобного
образа. Она
допус-
кает,
что одно и то
же мгновенно
наступает
повсюду - на
Земле, на
Солнце,
на Сириусе, на
внегалактических
туманностях,
отстоящих
от
нас так далеко,
что их свет
идет к нам миллиарды
лет.
Если бы
взаимодействия
тел (например
силы тяготения,
связы-
вающие
все тела природы)
распространялись
мгновенно, с
бесконеч-
ной
скоростью, мы
могли бы говорить
о совпадении
момента, когда
одно
тело начинает
воздействовать
на другое, и
момента, когда
второе
тело, удаленное
от первого,
испытывает
это воздействие.
Назовем
воздействие
тела на удаленное
от него другое
тело сигна-
лом.
Мгновенная
передача сигнала
- основа отождествления
момен-
тов,
наступивших
в отдаленных
пунктах пространства.
Такое отож-
дествление
можно представить
в виде синхронизации
часов. Задача
состоит
в том,чтобы
часы в в точке
а 41 и в точке
а 42 показывали
одно
и то же время.
Если существуют
мгновенные
сигналы, эта
зада-
ча не
составляет
труда. Часы
можно было бы
синхронизировать
по
радио, световым
сигналом, выстрелом
из пушки, механическим
им-
пульсом
(посадить,например,стрелки
часов в а 41 и
в а 42 на один
длинный
абсолютно
жесткий вал),
если бы радиоприемник,
свет, звук
и
механические
напряжения
в вале передавались
с бесконечно
боль-
шой скоростью.
В этом случае
мы могли бы
говорить о
чисто прост-
ранственных
связях в природе,
о процессах,
протекающих
в нулевой
промежуток
времени. Соответственно
трехмерная
геометрия имела
бы
реальные
физические
прообразы.
Пространство
в этом случае
мы бы
могли
рассматривать
вне времени,
и такой взгляд
давал бы
точное
представление
о действительности.
Временные
мгновенные
сигналы
служат
прямым физическим
эквивалентом
трехмерной
геометрии.
Мы
видим, что
трехмерная
геометрия
находит прямой
прообраз в
класси-
ческой
механике, которая
включает
представление
о бесконечной
скорости
сигналов, о
мгновенном
распространении
взаимодействий
между
отдаленными
телами. Классическая
механика допускает,
что
существуют
реальные физические
процессы, которые
могут быть с
аб-
солютной
точностью
описаны мгновенной
фотографией.
Мгновенная
фо-
тография,
разумеется
стереоскопическая
- это как бы
трехмерное
пространственное
сечение
пространственно-временного
мира, это че-
тырехмерный
мир событий,
взятый в один
и тот же момент.
Бесконеч-
но
быстрое взаимодействие
- процесс, который
может быть
описан в
пределах
мгновенной
временной
картины мира.
Но
теория поля
как реальной
физической
среды исключает
мгно-
венное
ньютоново
дальнодействие
и мгновенное
распространение
сиг-
налов через
промежуточную
среду. Не только
звук, но и свет,
и ра-
диосигналы
имеют конечную
скорость. Скорость
света - предельная
скорость
сигналов.
Каков
же в этом случае
физический
смысл одновременности?
Что
соответствует
последовательности
одних и тех же
для всей Вселен-
ной
моментов? Что
соответствует
понятию единого
времени, единооб-
разно
протекающего
во всем мире?
Мы
можем найти
некоторый
физический
смысл понятия
одновре-
менности
и таким образом
придать самостоятельную
реальность
чисто
пространственному
аспекту бытия,
с одной стороны,
и абсолютному
времени
- с другой, даже
в том случае,
когда все
взаимодействия
распространяются
с конечной
скоростью. Но
условием для
этого слу-
жит
существование
неподвижного
в целом мирового
эфира и возмож-
ность
определить
скорости движущихся
тел абсолютным
образом, от-
нося
их кэфиру как
единому привилегированному
телу отсчета.
Представим
себе корабль
с экранами на
носу и на корме.
в
центре корабля
на равных расстояниях
от обоих экранов
зажигают
фонарь.
Свет фонаря
одновременно
достигает
экранов, и
мгновения,
когда
это происходит
можно отождествить.
Свет падает
на экран,
находящийся
на носу корабля
в то же самое
мгновение, что
и на эк-
ран,
находящийся
на корме. Таким
образом, мы
находим физический
прообраз
одновременности.
Синхронизация
с помощью световых
сигналов,
одновременно
при-
бывающих
в два пункта
из источника,
расположенного
на равном
расстоянии
от них, возможна,
если источник
света и указанные
два
пункта
покоятся в
мировом эфире,
т.е. когда корабль
неподвижен
по
отношению
к эфиру. Синхронизация
возможна и в
том случае,
когда
корабль
движется в
эфире. В указанном
случае свет
дойдет до экра-
на
на носу корабля
немного позже,
а до экрана на
корме - немного
раньше.
Но, зная скорость
корабля относительно
эфира, мы можем
определить
опережение
луча, идущего
к экрану на
корме и запазды-
вание
луча, идущего
к экрану на
носу, и, учитывая
указанные
опе-
режение
и запаздывание,
синхронизировать
часы, установленные
на
корме и на
носу корабля.
Мы можем, далее,
синхронизировать
часы
на двух
кораблях, движущихся
относительно
эфира с различными,
но
постоянными,
известными
нам скоростями.
Но для этого
также необ-
ходимо,
чтобы скорость
кораблей относительно
эфира имела
опреде-
ленный
смысл и определенное
значение.
Здесь
возможны два
случая. Если
корабль при
движении пол-
ностью
увлекает за
собой эфир,
находящийся
между фонарем
и экра-
нами,
то не произойдет
запаздывания
луча, идущего
к экрану на
но-
су корабля.
При полном
увлечении
эфира, корабль
не смещается
от-
носительно
эфира, находящегося
над его палубой,
а скорость
света
относительно
корабля небудет
зависеть от
движения корабля.
Тем
не менее,
мы сможем
зарегистрировать
зарегистрировать
движение
корабля
с помощью оптических
эффектов. По
отношению к
кораблю
скорость
света не изменится,
но она изменится
по отношению
к бе-
регу. Пусть
корабль движется
вдоль набережной:
на набережной
-
два экран а 41 и
а 42,причем расстояние
между ними
равно расстоянию
между
экранами на
корабле. Когда
экраны на движущемся
корабле
оказались
против экранов
на набережной,
в центре корабля
зажига-
ется
фонарь. Если
корабль увлекает
за собой эфир,
то свет фонаря
дойдет
одновременно
до экрана на
корме и до экрана
на носу, но в
этом
случае свет
дойдет в различные
моменты до
экранов на
непод-
вижной
набережной.
В одном направлении
скорость движения
корабля
относительно
набережной
будет прибавляться
к скорости
света, а в
другом
направлении
скорость движения
корабля нужно
будет вычесть
из
скорости света.
Такой результат
- различные
скорости света
от-
носительно
берега - получится,
если корабль
увлекает эфир.
Если
же корабль
не увлекает
эфир, то свет
будет двигаться
с одной и
той
же скоростью
относительно
берега и с различной
скоростью
от-
носительно
корабля. Таким
образом, изменение
скорости света
ока-
жется
результатом
движения корабля
в обоих случаях.
Если корабль
движется,
увлекая эфир,
то меняется
скорость относительно
берега;
если
же корабль не
увлекает эфир,
то меняется
скорость света
от-
носительно
самого корабля.
В
середине XIX века
техника оптических
экспериментов
и изме-
рений
позволила
уловить очень
небольшие
различия в
скорости све-
та.
Оказалось
возможным
проверить,
увлекают движущиеся
тела эфир,
или
не увлекают.
В 1851 г. Физо (1819 - 1896)
доказал6 что
тела
не увлекают
полностью эфир.
Скорость света,
отнесенная
к непод-
вижным
телам, не меняется,
когда свет
проходит через
движущиеся
среды.
Физо пропускал
луч света через
неподвижную
трубку, по ко-
торой
текла вода. По
существу вода
играла роль
корабля, а трубка
-
неподвижного
берега. Результат
опыта Физо
привел к картине
дви-
жения тел
в неподвижном
эфире без увлечения
эфира. Скорость
этого
движения
можно определить
по запаздыванию
луча, догоняющего
тело
(например,
луча направленного
к экрану на
носу движущегося
кораб-
ля), по
сравнению с
лучом, идущим
навстречу телу
(например,
по
сравнению
с лучом фонаря,
направленным
к экрану на
корме). Тем
самым
можно было, как
казалось тогда,
отличить тело,
неподвижное
относительно
эфира, от тела,
движущегося
в эфире. В первом
ско-
рость света
одна и та же во
всех направлениях,
во втором на
меня-
ется в
зависимости
от направления
луча. Существует
абсолютное
различие
между покоем
и движением,
они отличаются
друг от друга
характером
оптических
процессов в
покоющихся
и движущихся
средах.
Подобная
точка зрения
позволяла
говорить об
абсолютной
од-
новременности
событий и о
возможности
абсолютной
синхронизации
часов.
Световые сигналы
достигают
точек, расположенных
на одном и
том
же расстоянии
от неподвижного
источника, в
одно и то же
мгно-
вение.
Если же источник
света и экраны
движутся относительно
эфи-
ра, то мы
можем определить
и учесть запаздывание
светового
сигна-
ла, вызванное
этим движением,
и считать одним
и тем же мгновением
1)
момент попадания
света на передний
экран с поправкой
на запаз-
дывание
и 2) момент попадания
света на задний
экран с поправкой
на
опережение.
Различие в
скорости
распространения
света будет
свидетельствовать
о движении
источника света
и экранов по
отноше-
нию
к эфиру - абсолютному
телу отсчета.
Эксперимент,
который должен
был показать
изменение
скорости
света
в движущихся
телах и соответственно
абсолютных
характер
движения
этих тел, был
выполнен в 1881
г. Майкельсоном
(1852 -
1931). В последствии
его не раз повторяли.
По существу,
экспери-
мент
Майкельсона
соответствовал
сравнению
скорости сигналов,
иду-
щих к экранам
на корме и на
носу движущегося
корабля, но в
ка-
честве корабля
была использована
сама Земля,
движущаяся
в прост-
ранстве
со скоростью
около 30 км/сек.
Далее, сравнивали
не ско-
рость
луча, догоняющего
тело и луча,
идущего навстречу
телу, а
скорость
распространения
света в продольном
и поперечном
направ-
лениях.
В инструменте,
примененном
в опыте Майкельсона,
так назы-
ваемом
интерферометре,
один луч шел
по направлению
движения Земли
-
в продольном
плече интерферометра,
а другой луч
- в поперечном
плече.
Различие в
скоростях этих
лучей должно
было продемонстри-
ровать
зависимость
скорости света
в приборе от
движения
Земли.
Результаты
эксперимента
Майкельсона
оказались
отрицательны-
ми.
На поверхности
Земли свет
движется с
одной и той же
скоростью
во
всех направлениях.
Такой
вывод казался
крайне парадоксальным.
Он должен
был
привести
к принципиальному
отказу от
классического
правила сложе-
ния
скоростей.
Скорость света
одна и та же во
всех телах,
движу-
щихся
по отношению
друг к другу
равномерно
и прямолинейно.
Свет
проходит
с неизменной
скоростью,
приблизительно
равной 300000
км/сек.,
мимо неподвижного
тела, мимо тела,
движущегося
навстречу
свету,
мимо тела, которое
свет догоняет.
Свет - это путник,
кото-
рый идет
по полотну
железной дороги,
между путями,
с одной и той
же
скоростью
относительно
встречного
поезда, относительно
поезда,
идущего
в том же направлении,
относительно
самого полотна,
отно-
сительно
пролетающего
над ним самолета
и т.д., или пассажир,
ко-
торый движется
по вагону мчащегося
поезда с одной
и той же ско-
ростью
относительно
вагона и относительно
Земли.
Чтобы
отказаться
от классических
принципов,
казавшихся
со-
вершенно
очевидными
и непререкаемыми,
понадобилась
гениальная
си-
ла и смелость
физической
мысли. Непосредственные
предшественники
Эйнштейна
подошли очень
близко к теории
относительности,
но они
не могли
сделать решающего
шага, не могли
допустить, что
свет не
кажущимся
образом, а в
действительности
распространяется
с одной
и той
же скоростью
относительно
тел, которые
смещаются одно
от-
носительно
к другому.
Лоренц
(1853-1928) выдвинул
теорию, сохраняющую
неподвижный
эфир
и классическое
правило сложения
скоростей и
вместе с тем
совместимую
с результатами
опытов Майкельсона.
Лоренц предполо-
жил,
что все тела
при движении
испытывают
продольное
сокращение,
они
уменьшают свою
протяженность
вдоль направления
движения.
Если
все тела сокращают
свои продольные
размеры, то
нельзя
обнаружить
подобное сокращение
непосредственным
измерением,
нап-
ример
прикладыванием
линейки с делениями
к движущемуся
стержню.
При
этом движется
и линейка и
соответственно
уменьшаются
ее длина
и размеры
нанесенных
на нее делений.
Лоренцово
сокращение
компен-
сирует
изменения
скорости света,
вызванные
движением тела
относи-
тельно
эфира. Луч света
движется медленнее
в продольном
плече ин-
терферометра,
но само плечо,
благодаря
движению, стало
короче, и
свет
проходит свой
путь в продольном
плече в течение
того же вре-
мени,
что и в поперечном
плече. Различие
в скорости
света в силу
этого
компенсируется
и не может быть
обнаружено.
Таким образом
Лоренц
рассматривает
обнаруженное
Майкельсоном
постоянство
ско-
рости света
как чисто
феноменологический
результат
взаимной
ком-
пенсации
двух эффектов
движения: уменьшение
скорости света
и сок-
ращения
проходимого
им расстояния.
С такой точки
зрения класси-
ческое
правило сложения
скоростей
остается незыблемым.
Абсолютный
характер
движения сохраняется
- изменение
скорости света
сущест-
вует;
следовательно,
движение может
быть отнесено
не к другим
те-
лам, равноправным
эфиру, а к универсальному
телу отсчета
- непод-
вижному
эфиру. Сокращение
носит абсолютный
характер -
существует
истинная
длина стержня,
покоящегося
относительно
эфира, иными
словами,
стержня, покоящегося
в абсолютном
смысле.
В 1905 г.
Альберт Эйнштейн
(1879-1955) опубликовал
статью "К
электродинамике
движущихся
тел". В этой
статье изложена
теория,
исключающая
существование
абсолютного
тела отсчета
и привилегиро-
ванной
системы координат
для прямолинейного
и равномерного
движе-
ния. Теория
Эйнштейна
исключает
абсолютное,
независимое
от прост-
ранственной
системы отсчета
время и отказывается
от классического
принципа
сложения скоростей.
Эйнштейн исходит
из субстанциональ-
ного
постоянства
скорости света,
из того, что
скорость
света
действительно
одна и та же в
различных,
движущихся
одна по отно-
шению
к другой системах.
У Лоренца абсолютное
движение тел
приво-
дит к
изменению
скорости света
в этих телах,
и, таким образом,
обладает
реальным физическим
смыслом. Оно
- это абсолютное
движе-
ние -
прячется от
наблюдателя
в силу сокращения
продольных
масш-
табов,
затушевывающего
оптический
эффект абсолютного
движения. У
Эйнштейна
абсолютное
движение не
прячется от
наблюдателя,
а прос-
то не
существует.
Если
движение относительно
эфира не вызывает
никаких эффек-
тов
в движущихся
телах, то оно
является физически
бессодержатель-
ным
понятием.
Оптические
процессы в теле
не могут быть
критерием его
рав-
номерного
и прямолинейного
движения. Равномерное
и прямолинейное
движение
тела А не изменяет
хода оптических
процессов, оно
имеет
относительный
смысл, должно
быть отнесено
к другому телу
В и сос-
тоит
оно в изменении
расстояния
между А и В.Мы
можем с одним
и
тем же правом
присвоить роль
тела отсчета,
т.е. приписать
непод-
вижность
как телу А, так
и телу В; фраза
"тело А движется
относи-
тельно
тела В" и "тело
В движется
относительно
тела А" описывает
одну
и ту же ситуацию.
Только такой
смысл имеет
равномерное
и
прямолинейное
движение. Оно
отнесено к
конкретным
телам; мы можем
отнести
движение тела
А к различным
телам отсчета,
получить раз-
личные
значения его
скорости, и
никакое абсолютное
тело отсчета
типа
эфира не должно
фигурировать
в научной картине
мира. Движе-
ние
тел относительно
эфира и, следовательно,
движение эфира
отно-
сительно
тел не имеют
физического
смысла.
Тем
самым из физической
картины мира
устраняется
понятие
единого
времени, охватывающего
всю Вселенную.
Здесь Эйнштейн
по-
дошел к самым
коренным проблемам
науки - к проблемам
пространс-
тва,
времени и их
связи друг с
другом.
Если
нет мирового
эфира, то нельзя
приписать
некоторому
телу
неподвижность
и на этом основании
считать его
началом неподвиж-
ной,
в абсолютном
смысле, привилегированной
системы координат.
Тогда
нельзя говорить
и об абсолютной
одновременности
событий,
нельзя
утверждать,
что два события,
одновременные
в одной системе
координат,
будут одновременными
и во всякой
другой системе
коор-
динат.
Вернемся
к кораблю с
экранами на
корме и на носу
и к набе-
режной,
на которой
также установлены
экраны. Когда
вспышка фонаря
одновременно
осветила экраны,
мы можем говорить,
что освещение
экрана
на корме и на
носу - одновременные
события. В системе
ко-
ординат,
связанной с
кораблем, эти
события действительно
одновре-
менны.
Но мы не остановились
на этой констатации
и считали воз-
можным
говорить об
одновременности
в абсолютном
смысле. Тот
факт,
что при
движении корабля
экраны освещаются
не одновременно,
нас
не смущал,
мы учитывали
запаздывание
света, догоняющего
корабль,
т.е.
идущего от
фонаря к экрану
на носу. Мы всегда
могли восполь-
зоваться
абсолютно
неподвижной,
связанной с
эфиром системой
отс-
чета и
перейти от
движущегося
корабля к неподвижной
набережной
и
убедиться,
что в этой
"неподвижной",
"истинной",
"абсолютной",
"привилегированной"
системе отсчета
свет распространяется
во все
стороны
с постоянной
скоростью, а
в других, движущихся,
системах,
он
меняет скорость.
До теории Эйнштейна
слова
"неподвижная",
"привилегированная",
"абсолютная"
система отсчета
не ставились
в
кавычки: все
были убеждены
в существовании
внутреннего
критерия
движения
- различия в
ходе оптических
процессов в
неподвижных
(в
абсолютном
смысле, относительно
неподвижного
мирового эфира)
те-
лах и в движущихся
(также в абсолютном
смысле) телах.
Синхрониза-
ция
часов казалась
возможной даже
в том случае,
когда речь шла
о
часах, расположенных
в двух системах,
из которых одна
движется
относительно
другой.
Когда
корабль движется
вдоль набережной,
свет достигает
эк-
ранов на
корабле в различные
моменты времени;
но мы считали
эти
моменты
различными
потому, что
видели экраны
на набережной,
отож-
дествляли
мгновения,
когда свет
попадает на
эти неподвижные
экра-
ны, приписывали
абсолютный
характер
одновременности,
зарегистри-
рованной
в неподвижной
системе отсчета.
Теперь от всего
этого
приходится
отказаться.
С точки зрения
теории относительности,
на-
ходясь на
корабле и не
видя набережной,
нельзя найти
доказатель-
ства
неодновременности
освещения
экранов на носу
и на корме.
Мы
считали
эти моменты
неодновременными,
потому что во
время расп-
ространения
света от фонаря
к экранам корабль
сдвинулся по
отно-
шению
к набережной,
а эту набережную
мы признаем
неподвижной
в
абсолютном
смысле. Сверяя
часы с помощью
экранов на
набережной,
т,е,
считая одновременными
мгновения,
когда свет
достиг этих
не-
подвижных
экранов, мы,
естественно,
должны различать
моменты,
когда
свет доходит
до экранов на
движущемся
корабле. Но
если дви-
жение
корабля и
неподвижность
набережной
не имеют абсолютного
ха-
рактера,
мы можем таким
же правом
рассматривать
корабль в качест-
ве
неподвижного
тела отсчета.
Тогда набережная
движется, и на
на-
бережной
свет достигает
береговых
экранов в различные
моменты
времени.
Спор о том, какая
система отсчета
неподвижна
в абсолют-
ном
смысле, беспредметен,
если нет абсолютно
покоящегося
тела
отсчета
- мирового эфира.
События, одновременные
в одной системе
отсчета,
неодновременны
в другой системе.
Если
нет абсолютной
одновременности,
то нет абсолютного
вре-
мени, протекающего
единообразно
во всех смещающихся
одна относи-
тельно
другой системах.
Время зависит
от движения.
Какова
эта зависимость,
как изменяется
ход времени
при пере-
ходе
из одной системе
к другой? Еще
до появления
работы Эйнштейна
Лоренц
утверждал, что
при сокращении
продольных
масштабов в
дви-
жущихся
системах будет
вместе с тем
замедляться
ход часов.
Сокра-
щение
масштабов и
замедление
хода часов как
раз и будет
компенси-
ровать
изменение
скорости света
в движущихся
системах.
Поэтому
замедление
хода часов, как
и сокращение
масштабов,
можно вычис-
лить,
исходя из постоянства
скорости света.
У
Эйнштейна
сокращение
продольных
пространственных
масштабов
и
замедление
времени в движущихся
системах имеет
совсем другой
смысл,
чем у Лоренца.
Время замедляется
не по сравнению
с "истин-
ным",
"абсолютным"
временем, текущим
в неподвижных
относительно
эфира,
т.е. в абсолютно
неподвижных,
системах. Длина
продольно
движущегося
стержня сокращается
не по сравнению
с некоторой
"ис-
тинной"
и "абсолютной"
длиной стержня,
покоящегося
в эфире. С
точки
зрения Эйнштейна,
сокращение
масштабов (как
и замедление
времени)
взаимно.Если
система К 5'
движется относительно
системы
К, то
с таким же правом
можно сказать,
что система
К движется
от-
носительно
системы К 5'.
Длина стержня,
измеренная
в системе К,
от-
носительно
которой он
покоится, окажется
меньше, если
ее изме-
рить
в системе К 5'.
Но, в свою очередь,
стержень, покоящийся
в
системе К 5',
окажется короче
при измерении
в системе К.
Речь идет
о
вполне реальном
измерении
длины, но понятие
"реальное
измере-
ние"
не означает
существование
неизменной
абсолютной
"привилеги-
рованной"
длины.Причиной
лоренцова
сокращения
служит реальный
процесс
взаимного
движения систем
- процесс, в котором
обе систе-
мы
играют совершенно
равноценную
роль. Лоренцово
представление
о
реальном
сокращении
длины стержня
по сравнению
с неизменной,
"ис-
тинной"
длиной стержня,
покоящегося
в абсолютном
смысле, - это
более
"классическое",
но вовсе не
более естественное
представле-
ние,
чем представление
Эйнштейна о
взаимном сокращении
масштабов
в
системах, движущихся
одна по отношению
к другой. Взаимное
пере-
мещение
тел, изменение
их взаимных
расстояний
легче представить
себе,
чем абсолютное
движение, отнесенное
к пустому
пространству
либо
к однородному
эфиру.
Идеи,
высказанные
Эйнштейном
в 1905 году, уже в
ближайшие
годы
заинтересовали
очень широкие
круги. Люди
чувствовали,
что
теория,
с такой смелостью
посягнувшая
на традиционные
представле-
ния
о пространстве
и времени, не
может не привести
при своем раз-
витии
и применении
к очень глубоким
производственно-техническим
и
культурным
сдвигам. Разумеется,
только теперь
стал ясен путь
от
абстрактных
рассуждений
о пространстве
и времени к
представлению
о
колоссальных
запасах энергии,
таящихся в
недрах вещества
и жду-
щих своего
освобождения,
чтобы изменить
облик производственной
техники
и культуры.
Попытаемся
несколькими
штрихами
обрисовать
этот
путь, хотя две-три
фразы не могут
дать представления
о цепи
глубоких
и сложных
математических
построений,
о многократном
пе-
ресмотре
самых, казалось
бы, очевидных
и прочных концепций
клас-
сической
физики.
Эйнштейн
вывел из постоянства
скорости света
в движущихся
телах
невозможность
для этих тел
превысить
скорость света.
Тем
самым из
картины мира
исключаются
мгновенные,
распространяющиеся
с
бесконечной
скоростью,
воздействия
одного физического
объекта
на
другой. Исключаются
также воздействия,
распространяющиеся
с
конечной
скоростью,
превышающей
скорость света.
Два события
могут
быть
связаны друг
с другом причинной
связью, одно
событие может
быть
причиной второго,
если время,
прошедшее между
событиями,
не
меньше времени,
необходимого
свету, чтобы
пройти расстояние
между
точками,
где произошли
эти события.
Такое представление
о при-
чинной
связи между
событиями можно
назвать релятивистским,
в от-
личие от
классического
представления,
допускавшего,
что событие
в
одной точке
может повлиять
на событие в
другой точке
при сколь
угодно
малом промежутке
времени между
событиями.
Сопоставляя
релятивистскую
причинность
с классической,
можно
увидеть
некоторую
существенную
для истории
науки связь
между ме-
ханической
картиной мира
и ее релятивистским
обобщением.
Причин-
ная
связь между
двумя событиями
в отдаленных
точках 4 0а 41
и а 42 сос-
тоит
в том, что событие
в точке а 41 вызывает
отправление
некоторо-
го
сигнала, который,
прибыв в точку
а 42, вызывает
здесь второе
со-
бытие. Первым
событием может
быть, например,
выстрел, а вторым
-
попадание
снаряда в цель.
Причинная связь
состоит в
движениисна-
ряда,
играющего в
этом примере
роль сигнала.
Бесконечная
скорость
сигнала
означала бы,
что причина
(отправление
передающего
воз-
действия
сигнала из
а 41) и следствие
(его приход в
а 42) возникают
одновременно.
Следовательно,
причинная связь
может быть
представ-
лена
в чисто пространственном
аспекте. Чтобы
придать понятию
при-
чинной
связи пространственно-временной
вид, нужно найти
предел
скоростей,
и он был найден
в постоянной
скорости
распространения
электромагнитного
поля.
Обобщение,
о котором идет
речь, связано
с новой трактовкой
условий
тождественности
движущегося
объекта. Тождественным
себе
может
быть объект,
движение которого
подчинено
условию: расстоя-
ние
между точками
а 41 и а 42 пребывания
тела в моменты
t 41 и t 42 не
должно
быть больше,
чем скорость
света, умноженная
на 4 t 41-t 42. Если
это
условие не
соблюдено, то
перед нами не
движущийся
тождествен-
ный
себе объект,
а различные
нетождественные
объекты.
Обратимся
теперь к динамическим
выводам из
существования
границы
механических
скоростей.
Если
тело движется
со скоростью,
близкой к скорости
света, и
на него
начинает действовать
дополнительная
сила, то ускорение
не
может быть
таким, чтобы
тело достигло
скорости, превышающей
ско-
рость света.
Чем ближе к
скорости света,
тем больше тело
сопро-
тивляется
силе, тем меньшее
ускорение
вызывает одна
и та же при-
ложенная
к телу сила.
Сопротивление
тела ускорению,
т.е. масса
тела,
растет со скоростью
и стремится
к бесконечности,
когда ско-
рость
тела приближается
к скорости
света. Таким
образом, масса
тела
зависит от
скорости его
движения, она
растет при
растет при
возрастании
скорости и
пропорциональна
энергии движения.
Что ка-
сается
массы покоящегося
тела, она связана
определенным
отношени-
ем
с внутренней
энергией - энергией
покоящегося
тела. Эта энергия
равна
массе покоя,
умноженной
на квадрат
скорости света.
Если
энергия
движения тела
переходит в
его внутреннюю
энергию (напри-
мер,
тепловую энергию
или энергию
химических
связей), от
соот-
ветственно
возрастанию
энергии возрастает
масса покоя.
Но
масса покоя
отнюдь не равна
сумме заключенной
в теле теп-
ловой,
химической
и электрической
энергии, деленной
на квадрат
скорости
света. Этой
сумме соответствует
очень небольшая
часть
всей
энергии покоя.
Переход энергии
движения двух
тел в энергию
покоя,
например при
неупругом
соударении
этих тел,
увеличивает
энергию
на ничтожную
величину по
сравнению со
всей энергией
по-
коя. В свою
очередь переход
теплоты в энергию
движения тел
умень-
шает
энергию покоя
(и массу покоя)
на ничтожную
долю. Тело с
тем-
пературой,
равной абсолютному
нулю, с нулевой
химической
и элект-
рической
энергией обладало
бы энергией
покоя и массой
покоя, лишь
в
ничтожной мере
уменьшившимися
по сравнению
с телом