Философские аспекты теории относительности

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 обычной тем-
пературы и с обычными запасами химической и электрической энер-
гии.
До середины нашего столетия во всех областях техники исполь-
зовали лишь подобные ничтожные изменения энергии покоя и массы
покоя тел. Сейчас появились практически применяемые реакции, при
которых затрачивается или пополняется основной массив заключенной
в веществе энергии покоя.
В современной физике существует представление о полном пере-
ходе энергии покоя в энергию движения, т.е. о превращении части-
цы, обладающей массой покоя, в частицу с нулевой массой покоя и
очень большой энергией движения и массой движения. Такие переходы
наблюдаются в природе. До практического применения подобных про-
цессов еще далеко. Сейчас используются процессы, освобождающие
внутреннюю энергию атомных ядер. Атомная энергетика оказалась ре-
шающим экспериментальным и практическим доказательством теории
относительности Эйнштейна.
Разумеется в 1905 г., когда была опубликована первая статья
Эйнштейна о теории относительности, никто не мог предвидеть конк-
ретных путей научно-технической революции, призванной воплотить в
жизнь новое учение о пространстве, времени и движении. В теории
относительности видели поразительно глубокое, стройное и смелое
обобщение и истолкование уже известных экспериментальных данных,
прежде всего фактов, свидетельствующих о постоянстве скорости
света, о ее независимости от прямолинейного и равномерного движе-
ния системы, через которую проходит световой луч.
Вместе с тем ученые понимали, что, отвергнув, казалось бы
очевидное, классическое понятие одновременности, отказавшись от
не менее очевидного классического правила сложения скоростей, до-
пуская и обсуждая парадоксальные, на первый взгляд, выводы, физи-
ка овладевает очень мощным оружием.
Покинув пристань ньютоновской механики, бросив вызов "оче-
видности", не ограничивая отныне свои пути традиционным фарвате-
ром, наука может открыть новые берега. Какие плоды зреют на этих
берегах, что получит практика от новых теоретических обобщений,
тогда еще не знали. Существовала лишь, как уже было сказано, ин-
туитивная уверенность, что смелости и широте новых идей должны


10-09-2015, 22:51