Теория относительности

Из общей теории относительности также следует, что грави­тационные свойства материи, создающей гравитационное поле, тождественны искривлению пространства-времени.
Простран­ство-время наделяют способностью искривляться - деформи­роваться и, в свою очередь, воздействовать на гравитационные свойства материи.
Эйнштейн устанавливает зависимость вре­мени (хода часов) от гравитационного потенциала.
Таким обра­зом, пространство и время зависят от событий, но и события, в свою очередь, зависят от искривлений пространства-времени.
Для нас важно, что в соответствии с принципами, приняты­ми в теориях Эйнштейна, главным содержанием пространства-времени являются события. Эйнштейн в развитие этой точки зрения (и это отличает его от всех предшественников по реля­ционному видению времени) в общей теории относительности наряду с таким времяформирующим фактором, как относитель­ная скорость тел, вводит и такое фундаментальное проявление Природы, как гравитация.
Таким образом, он не просто провоз­глашает, что время есть отношение событий, он указывает, как эти события влияют на время.
Эйнштейн показал, что время, в течение которого свет рас­пространяется от одного тела к другому, зависит как от расстоя­ния между этими телами, так и от того, где находятся часы, т.е. от системы отсчета, а это значит, что промежуток времени меж­ду двумя событиями есть величина относительная.Эйнштейн, опираясь на принцип относительности и на принцип постоянства скорости света, уже в работе
"К электродинамике движущихся тел" [11] обосновывает понятие относитель­ности одновременности.
Из него следует, что одновременность двух событий очевидна только для событий, которые произош­ли недалеко друг от друга.
Если события далеко разнесены в пространстве, то их одновременность (или неодновременность) будет зависеть от системы отсчета, относительно которой они наблюдаются.
Два события для одного наблюдателя могут ока­заться одновременными, а для другого, движущегося относи­тельно первого, - происходящими в разные моменты времени.

Второй постулат

Второй постулат - утверждение о том, что любые взаимодействия во Вселенной не могут осуществляться со скоростями, превышающими скорость света в вакууме (приоритет в обоснова­нии этого принципа принадлежит Эйнштейну).
Учитывая, что Эйнштейн полностью отказался от субстан­циальной концепции времени, и принимая во внимание вышеизложенные постулаты, порядок во времени, по Эйнштейну, обусловливается реальными физическими процессами, т.е. и пространство, и время имеют физический смысл "только как определение порядка событий, связанных между собой взаимо­действиями".
Сам Эйнштейн говорит об этом так: "О точках пространства и моментах времени говорили так, как будто они были абсолют­ной реальностью.
Не замечалось, что истинным элементом про­странственно-временной локализации является событие". Из теории Эйнштейна следует взаимозависимость массы и энергии.
Их эквивалентность Эйнштейн выразил формулой, сразу ставшей знаменитой и классической: Е = тс (Е- энер­гия тела; т - масса тела; с - скорость света в вакууме).

* Система отсчета - это реальное или условное твердое тело, с которым связана система координат, снабженная реальными или условными часами.
Инерциальные системы отсчета - это системы координат, которые поко­ятся или равномерно и поступательно движутся друг относительно друга, когда на них воздействует какая-либо сила или когда они уравновешены.

Первый постулат

Первый постулат - специальный принцип относительности, согласно которому законы природы остаются неизменными (ковариантными) во всех инерциальных системах отсчета (приоритет в осознании этого принципа принадлежит Пуанкаре и Эйнштейну).

Протяженность

Впрочем, значительно раньше, еще до Ньютона, Генри Мор объ­единил пространство и время в единую четырехмерную сущ­ность под общим понятием "протяженность".
Но и он, очевид­но, не был пионером - вспомним Ибн Сину, ведь этот мудрец жил в XI веке...
Что касается представлений о неевклидовом пространстве, то в законченном виде их сформулировал У. К Клиффорд еще до рождения Эйнштейна.
Однако и у него были предшествен­ники - Лобачевский (Россия), Бойаи (Венгрия), Гаусс и Ри-ман (Германия).
Австрийский физик и философ Эрнст Мах( 1838-1916) много занимался сопоставлением реального и кажущегося движения.
Он выдвинул знаменитый принцип - "Принцип Маха", из ко­торого следует, что инерция каждого отдельного тела (и его масса как мера инертности тел) зависят от величины и распределения всех масс во Вселенной.
Сам Эйнштейн, не принимая этого "принципа", все же признавал, что многим обязан Маху. Очень близок к созданию новой физической теории был зна­менитый
французский математик (физик и философ) Анри Пу­анкаре (1854-1912). Им, в частности, был поставлен вопрос о возможности объективного установления одновременности разноместных событий.
Пуанкаре объективно мог создать новую теорию, но не создал, хотя еще в 1904 г., т.е. за год до первой основополагающей публикации Эйнштейна по специальной теории относительности, выступая на одном из конгрессов, го­ворил:
"Возможно, мы должны создать совершенно новую ме­ханику... где инерция возрастала бы со скоростью и скорость света являлась бы неодолимым пределом".
О времени, Пуанкаре, в частности, писал: "...время должно определяться так, чтобы уравнения механики были как можно проще.
Другими словами, не существует способа измерения вре­мени, который был бы более правильным, чем другой; тот, ко­торый принимается, является лишь более удобным" [12]. Эта позиция Пуанкаре принципиально отличается от по­нятия времени у Эйнштейна.
Сравните высказывание Пуан­каре с выводом, к которому пришел Эйнштейн: "...пространственные и временные данные имеют не фиктивное, а физи­чески реальное значение"[13].
Выдающиеся экспериментальные работы Майкла Фарадея (1791-1867) и блестящее теоретическое их обоснование и раз­витие Джеймсом Клерком Максвеллом (1831-1879) привели к созданию единой теории электромагнитного поля - электри­ческих, магнитных и оптических явлений. При этом они окон­чательно отказались от понятия мгновенного дальнодействия, ввели понятие универсального электромагнитного взаимодей­ствия, которое осуществляется с конечной скоростью, макси­мальная величина которой не превосходит скорости света.
Эти работы подняли ряд новых проблем, что, в конце концов, и при­вело к созданию теории относительности.
Эйнштейн создал две теории относительности: специальную (1905 г.), в которой рассматривается взаимосвязь скорости и вре­мени, энергии и массы, и общую (1916 г.), доказывающую взаи­мосвязь между материей (гравитацией), временем и простран­ством [11].
Эйнштейн принял в качестве исходных основополагающих два постулата, на фундаменте которых построил теории отно­сительности, хотя в этом "фундаменте", как уже отмечалось, находятся знания многих выдающихся ученых.
Но именно Эйнштейн "догадался" сложить из этих знаний-блоков фундамент новой физики.

Опережая время

Опережая время по крайней мере на столетие, Бошкович счи­тал, что протяженность объектов изменяется при их перемеще­нии или изменении взаимного положения.
Таким был этот вы­дающийся человек, о котором, как мне кажется, мы несправедливо мало знаем.
Предшественником Эйнштейна по праву может считаться и знаменитый голландский физик Гендрик Антон Лоренц (1853-1928), разработавший теорию, согласно которой при движении физических объектов относительно абсолютной системы (эфи­ра) происходит сжатие этих объектов в направлении движения и замедление хода времени.
В своих знаменитых "преобразованиях" он исследовал взаимоотношения между временем и координа­тами двух систем.
Представление о том, что мир четырехмерный и любое событие в нем может быть описано тремя координатами пространства и одной времени, было, конечно, присуще и классической механике, но при этом время в этом единстве было независи­мым, так как осознавалось как абсолютная реальность.
Даже такие, казалось бы, чисто эйнштейновские (как может показаться непросвещенным) понятия, как неделимость пространства и времени и криволинейность пространства, были при­внесены в науку задолго до Эйнштейна.
Эйнштейн принял идею единства и неделимости простран­ства и времени от выдающегося немецкого (немецко-литовско-фё) математика Германа Минковского.
Но еще в 1901 г. венгерский философ-физик В.
Паладий опубликовал трактат "Новая теория пространства и времени", где обосновывал эту идею.
Трак­тат тогда не заметили, но в 1908 г. Минковский идею подхватил.

Рядовой читатель

Однако рядовой читатель не должен представлять себе, что у Эйнштейна не было предшественников.
Мол, было ньютоновс­кое видение мира, а потом появился Эйнштейн и...
Так никогда не бывает, и в данном случае релятивистские идеи также витали в воздухе.
В физике (в науке вообще) господствует так называемый прин­цип соответствия: любая новая теория включает (должна вклю­чать) в себя старую как некий частный случай.
Классическая механика Ньютона и философия, вытекающая из нее и обосновывающая ее, были сильно расшатаны всем хо­дом научной мысли в XIX веке, особенно во второй его полови­не, прежде всего благодаря открытиям в области электромаг­нитных явлений.
Но против абсолютизации пространства и времени выступал еще современник Ньютона Г. Лейбниц (1646-1716).
Он писал: "Я неоднократно подчеркивал, что считаю пространство, так же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство по­рядком существования, а время порядком последовательнос­тей..." [4].
То есть по Лейбницу время - это только порядок следования явлений.
Удивительно современными представля­ются взгляды Лейбница на пространство.
Он считал, например, что в природе никакой абсолютной пустоты без тел нет.
(Так и кажется, что вслед за этим утверждением Лейбниц должен зая­вить, что вообще нет пространства без масс...
Впрочем, еще Платон в "Тимее" пытался определить пространство как теле­сную протяженность материи.)
В период между Ньютоном и Эйнштейном (в XVII-XVIII ве­ках) , пожалуй, наиболее ярко выражали противоположные точки зрения на сущность времени взгляды двух следующих ученых.
Богослов Джордж Беркли (1685-1753) исповедовал субъек­тивно-идеалистическую концепцию: "Время есть ничто, если отсечь от него последовательность идей в нашем духе"
Хорватский математик, астроном и философ Руджер Иосип Бошкович (1711-1787) выражал реляционную точку зрения [4].
Он считал, как пишет Молчанов, что "пространство и время не являются ни субстанцией мира явлений, как это полагал Нью­тон, ни выражением его упорядоченности, как учил Лейбниц, а представляют собой "модус" физических взаимодействий, т.е. определение способа, формы или необходимого условия их су­ществования".
Бошкович "поставил под сомнение постулат Евклида о па­раллельных прямых, высказав тем самым мысль о возможности неевклидовых геометрий".

Революционная ломка

Революционную ломку классических представлений о мире возглавил Альберт Эйнштейн (1879-1955) [11].
Отказ от абсолютизации пространства и времени, утверждение об их зависи­мости от гравитации и скорости и, напротив, абсолютизация скорости света - все это с трудом воспринималось современни­ками.
Многим, даже физикам, теория относительности каза­лась абстрактной и оторванной... от здравого смысла Эффекты, которые оказалось возможным объяснить с помощью новой тео­рии, представлялись незначительными и малосущественными.
Действительно, многие из проявлений природы, которые были предсказаны релятивистской физикой, становятся заметными только при околосветовых скоростях.
Неудивительно, что еще в начале 60-х годов Артур Эддингтон, английский астрофизик, позволил себе ироничное высказывание о релятивистской теории - убийственное, как приговор: "красивый, но бесполезный цве­ток" (и это сказал человек, который первым из ученых еще в 1919 г. в ходе опыта подтвердил отклонение луча света в поле тяготения Солнца).

Ломка фундаментальных представлений всегда сопровождает­ся ожесточенным сопротивлением. Более того, удивительно, что и сегодня, в XXI, веке критика основных базисных постулатов теории относительности не утихает, а, кажется, напротив, усили­вается.
Впрочем, об этом позже...
Свое дело Эйнштейн сделал.
Революционный пересмотр основ теоретической физики он воз­главил и завершил.
Устоит ли сам Эйнштейн на одной ступени пьедестала истории человечества рядом с такими гигантами, как Будда, Аристотель, Христос, Коперник, Ньютон, Максвелл?..

Пространство как время

Пространство так же, как и время, представлялось независи­мой природной субстанцией [10]:
- пространство само по себе и своим существованием не обя­зано чему бы то ни было в мире;
- пространство вмещает все тела природы и дает место всем ее явлениям, но не испытывает на себе никакого их воздействия;
- пространство всюду и везде одинаково по своим свойствам. Все его точки равноправны и одинаковы - оно однородно.
Все направления в нем также равноправны и одинаковы - оно изо­тропно;
- во все времена пространство неизменно одно и то же;
- пространство не имеет границ;
- пространство простирается неограниченно во всех направ­лениях и имеет бесконечный объем;
- пространство обладает (характеризуется) тремя измерениями; - пространство описывается геометрией Евклида.
Ни одно из свойств такого времени и такого пространства не противоречило ни здравому смыслу, ни науке той эпохи.
Ньютоновская концепция времени исправно служит нам се­годня и в быту, и в большинстве областей науки и техники.
Границы представлений о физической природе пространства и времени были значительно расширены в начале XX века.

Субстанциальная концепция времени

Субстанциальная концепция времени, выраженная Ньютоном логически четко и почти непротиворечиво, позволила ему раз­работать свою знаменитую теорию всемирного тяготения.
Эйнштейн считал, что для Ньютона такая концепция была единственно возможной и плодотворной при состоянии науки того времени.
С точки зрения классической механики, время обладает такими основными свойствами [10]:
- время существует само по себе и своим существованием не обязано чему бы то ни было в мире;
- ходу времени подчиняются все тела природы, все физичес­кие явления.
Но сами эти тела и явления не оказывают никако­го воздействия на ход времени; - все моменты времени между собой равноправны и одина­ковы - время однородно;
- ход времени всюду и везде в мире одинаков;
- ход времени одинаково равномерен в прошлом, настоящем и будущем;
- время простирается от настоящего неограниченно назад в прошлое и неограниченно вперед в будущее;
- время обладает одним измерением;
- промежутки времени отмеряются, складываются и вычи­таются, как отрезки евклидовой прямой, т.е. время не дискрет­но.

Классическая механика времени

Классическая механика времен Галилея (1564-1642) и И. Ньютона (1642-1727) на новом витке эволюции ввела как бы заново понятие абсолютного времени - единого, всеобщего и универсального (и в этом, конечно, следовала за Аристотелем).
Г. Галилей сделал много выдающихся открытий.
С него, по существу, началась новая наука — наука, опирающаяся на экс­перимент.
Мы отметим только одно достижение Галилея: он сформулировал принцип относительности, в основе которого ле­жит открытый им закон движения по инерции.
Принцип отно­сительности Галилея утверждает, что законы движения всех тел одинаковы во всех системах, движущихся друг относительно дру­га равномерно и прямолинейно.
Это принцип механической от­носительности, ибо в нем устанавливается неизменность зако­нов механики в одной системе при ее равномерном и поступа­тельном движении относительно другой.
Ньютон различает время истинное (или математическое абсолютное), которое является некоторой "невещественной субстан­цией", и относительное (или кажущееся) обыденное время.
Эти представления в изложении самого Ньютона звучат так: "Абсолютное... время само по себе, по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает рав­номерно и иначе называется длительностью.
Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или измен­чивая, постигаемая чувствами, совершаемая при посредстве ка­кого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического време­ни..." [9].
Что касается понятия одновременности, то Ньютона оно, вероятно, не очень волновало.
Скорее всего, он, как и многие и до и после него, считал его содержание интуитивно ясным и определенным.

Fast: [10]