Теория относительности
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
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
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
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
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
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 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
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
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.