Время и относительность

     Кроме того, Риман высказал новое понимание  бесконечности пространства. По его  мнению, пространство нужно признать неограниченным; однако если оно может иметь положительную постоянную кривизну, то оно уже не бесконечно, подобно тому, как поверхность сферы, хотя, и не ограничена, тем не менее, её размеры не являются бесконечными. Так зарождалось представление о разграничении бесконечности и безграничности пространства (и времени).

     Идеи неевклидовых геометрий поначалу имели весьма мало сторонников, ибо противоречили "здравому смыслу" и устоявшимся в течении многих веков воззрениям. Перелом наступил лишь во второй половине XIX в. Окончательные сомнения в логической правильности неевклидовой геометрии Лобачевского были развеяны в работах итальянского математика Э. Бельтрами, который, развивая идеи К. Гаусса в области дифференциальной геометрии для решения задач картографии, показал, что на поверхностях постоянной отрицательной кривизны (псевдосферы) осуществляется именно неевклидова геометрия. Интерес к работам Лобачевского и Римана вновь ожил и вызвал многочисленные исследования в области неевклидовых геометрий и оснований геометрии.

       Развитие теории неевклидовых  пространств привело в свою  очередь к задаче построения  механики в таких пространствах:  не противоречат ли неевклидовы геометрии принципам механики? Если механику невозможно построить в неевклидовом пространстве, то значит реальное неевклидово пространство невозможно. Однако исследования показали, что механика может быть построена и в неевклидовом пространстве.

     И те не менее появление неевклидовых геометрий, а затем "неевклидовой механики" на первых порах не оказало влияния на физику. В классической физике пространство оставалось евклидовым, и большинство физиков не видели никакой необходимости рассматривать физические явления в неевклидовом пространстве. 
 
 
 
 
 

2. Развитие физических  представлений о  пространстве и  времени в истории естествознания 

     Во  второй половине XIX в. физики всё чаще  стали анализировать фундаментальные  основания классической механики. Прежде всего это касалось понятий пространства и времени в их ньютоновской трактовке. Были предприняты попытки придать понятиям абсолютного пространства и абсолютной системы отсчёта новое содержание взамен того, которое им придал ещё Ньютон. Так, в 70-е гг. XIX в. было введено понятие а-тела, как такого тела во Вселенной, которое можно было бы считать неподвижным и принять его в силу этого за начало абсолютной системы отсчёта. Некоторые физики предлагали в этой связи принять за а-тело центр тяжести всех тел во Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно вполне считать находящимся в абсолютном покое.

     Вместе  с тем рядом физиков высказывалось и противоположное мнение, что само понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения, как движения относительно некого абсолютного пространства, лишено всякого научного содержания, как и понятие абсолютной системы отсчёта. Вместо понятия абсолютной системы отсчёта они предлагали более общее понятие инерциальной системы отсчёта (координат), не связанное с  понятием абсолютного пространства. Из этого следовало, что понятие абсолютной системы координат также становится бессодержательным. Иначе говоря, все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием каких-либо других тел, равноправны. Подчеркнем, что инерциальные системы - это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.

       Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея. Именно преобразования Галилея и характеризуют в классической механике закономерности перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой.

     Преобразования Галилея в течение нескольких столетий полагались как сами собой разумеющимися и не нуждающимися в силу этого в каком-либо обосновании. Но время показало, что это не так.

     В конце XIX в. с резкой критикой ньютоновского представления об абсолютном пространстве выступил немецкий физик и философ Э. Мах. В основе представлений Маха лежало убеждение в том, что "движение может быть равномерным относительно другого движения. Вопрос, равномерно ли движение само по себе, не имеет никакого смысла" (В связи с этим Мах рассматривал системы Птолемея и Коперника как равноправные, считая последнюю более предпочтительной из-за простоты. – Э.Мах. Механика. – СПб., 1909. С. 187.).

     С точки зрения Маха, всякое движение относительно пространства не имеет никакого смысла, о движении можно говорить только по отношению к телам, а значит, все величины, определяющие состояние движения, являются относительными. Следовательно, и ускорение тоже относительная величина. К тому же опыт не может дать сведений об абсолютном пространстве. Он обвинил Ньютона в отступлении от принципа, согласно которому в теорию должны вводиться только величины, непосредственно выводимые из опыта.

     Правда, Мах слишком широко трактовал  отношения естествознания и философии. И от критики недостатков классической механики, от непризнания абсолютного пространства Ньютона он вообще перешёл к непризнанию объективного существования пространства, рассматривая его как "хорошо упорядоченные системы рядов ощущений".

     Однако, несмотря на субъективно-идеалистический  подход к проблеме относительности движения, в сообщениях Маха были весьма плодотворные идеи, которые так или иначе не могли не способствовать появлению научной идеологии, приводящей к общей теории относительности. Речь идёт здесь о так называемом принципе Маха, согласно которому инерциальные силы следует рассматривать как действие общей массы Вселенной. Этот принцип впоследствии оказал значительное влияние и на А. Эйнштейна.

     К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков  и результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий. Так, согласно идее английского математика В. Клиффорда, высказанной в 70-е годы 19-го века, многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что кривизна пространства может изменяться со временем, а физику можно представить как некоторую геометрию (В.Клиффорд. О пространственной теории материи – Альберт Эйнштейн и теория гравитации. – М., 1979. С. 36.). Здесь можно подчеркнуть, что  Клиффорд принадлежит к ряду немногочисленных в XIX в. провозвестников эйнштейновской теории гравитации.

     После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света, возникло понятие "эфира" - среды в которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной твердостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир можно было полагать своего рода материализацией ньютоновского абсолютного пространства. Но это шло вразрез с основными положениями доктрины Ньютона о пространстве.

     Подлинная революция в физике началась с  открытия Рёмером конечности скорости распространения света, которая  оказалась равной примерно 300000 км/с. В 1728 году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника и приёмника света. О. Френель полагал, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, однако опыт А. Майкельсона (1881г.) полностью это опроверг.

     Таким образом, возникла необъяснимая несогласованность  высказываемых в науке преставлений: оптические явления всё хуже сводились  к механике.

     Но  окончательно механистическую картину  мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла: свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений Максвелла, которые описывают принципиально новые закономерности.

     Так возникла электромагнитная теория материи. Физики пришли к выводу о существовании  дискретных элементарных объектов в  рамках электромагнитной картины мира (электронов).

     Таким образом, к рубежу Х1Х-ХХ веков развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных оснований классической механики:

     1. Скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света.

     2. В двух системах координат,  движущихся прямолинейно и равномерно  друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности).

     3. Координаты и скорости преобразовываются  от одной инерциальной системы  к другой согласно классическим преобразованиям Галилея.

     Было  ясно, что эти три положения  не могут быть логически объединены друг с другом, поскольку они  физически несовместимы.

     Внутренней  логикой своего развития физика подводилась  к необходимости найти нестандартный  новый путь в разрешении фундаментальных противоречий в ее принципиальных основаниях. Этот путь и был найден великим физиком XX в. А. Эйнштейном (1879 - 1955). 
 
 
 
 
 
 

3. Проблема пространства  и времени в специальной теории относительности А. Эйнштейна 

     В сентябре 1905г. в немецком журнале "Annalen der Physik" появилась работа Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел". Эйнштейн сформулировал основные положения специальной теории относительности, которая объясняла и отрицательный результат опыта Майкельсона - Морли, и смысл преобразований Лоренца, и, кроме того, содержала новый взгляд на пространство и время.

     Он  увидел, что за преобразованиями Галилея  кроется определенное представление  о пространственно-временных соотношениях, которое не соответствует физическому опыту и реальным пространственно-временным соотношениям вещей. Таким наиболее слабым звеном принципиальных оснований классической механики было представление об абсолютной одновременности событий. Этим представлением, не сознавая его сложной природы, не эксплицируя, и пользовалась классическая механика.

     Появлению статьи Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел", в которой впервые были изложены основы теории относительности. предшествовало, по словам самого автора, 7-10 лет упорных размышлений над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления. Прежде всего, Эйнштейн пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, т. е. к выводу, что и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны. Одновременно с принципом относительности, Эйнштейну казалось ясным и существование инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он пишет, что еще в 1896г. у него " возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным!" (А.Эйнштейн. Работы по теории относительности. – М., 1965. Т. !. С. 310-311.).

       Как же можно совместить эти два принципа? Одновременное их действие кажется невозможным.

       Однако из этого парадоксального  положения Эйнштейн находит выход,  анализируя понятие одновременности.  Такой анализ подводит его  к выводу об относительном  характере этого понятия. В осознании относительности одновременности заключается гвоздь всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий пространства и времени - основополагающих понятий всего естествознания.

     В классической физике всегда полагали, что можно просто говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал неверность этого представления.

     Новое понимание одновременности, осознание  её относительности приводит к необходимости признания относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, нужно отметить его границы на масштабе одновременно. Однако что одновременно для неподвижного наблюдателя, уже не одновременно для движущегося, поэтому и длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна.

     На  следующем этапе становления  специальной теории относительности  этим общим идейным рассуждениям Эйнштейн придает математическую форму и, в частности, выводит формулы преобразования координат и времени - "преобразования Лоренца". Но у Эйнштейна эти преобразования уже имеют иной смысл. Одно и то же тело имеет различную "истинную" длину, если оно движется с различной скоростью относительно масштаба, с помощью которого эта длина измеряется. То же самое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимися с различной скоростью часами. В теории Эйнштейна размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывали раньше, и приобретают смысл относительных величин, зависящих от относительного движения тел и инструментов, с помощью которых проводилось их измерение. Они приобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительные величины, такие, как, например, скорость, траектория и т. п.

     Таким образом, Эйнштейн приходит к выводу о необходимости изменения пространственно-временных  представлений, которые выработаны классической физикой.

     Создание специальной теории относительности (СТО) было качественно новым шагом в развитии физического познания. СТО отличается от классической механики тем, что наблюдатель со средствами наблюдения органически входит в физическое описание релятивистских явлений.