Пространство-время в теории относительности

Идеи Н. И. Лобачевского и Б. Римана нашли свое развитие в XX столетии в форме представлений о кривизне пространства-времени в общей теории относительности. Созданная гением Альберта Эйнштейна и усилиями многих других выдающихся ученых теория относительности дала наиболее фундаментальный на сегодняшний день физический анализ понятий пространства и времени^[1]. Согласно этой теории, пространство и время существуют не по отдельности друг от друга, а образуют единое четырехмерное многообразие. Точки этого многообразия пространства-времени, или мира, — суть события: немыслим способ бытия, независимый от времени, в котором нет ни позже, ни раньше, ни теперь, а следовательно, и самой возможности изменения состояния, местоположения и вообще качественной определенности. Каждое событие характеризуется временем и пространственным положением, но численные выражения этих характеристик не являются абсолютными, а зависят от системы отсчета, которой пользуется наблюдатель. Сам наблюдатель движется по своей мировой линии, переживая собственное (индивидуальное) время. Другие события он воспринимает лишь постольку, поскольку получает о них сигналы. Так как любой сигнал распространяется не быстрее света (этот принцип подтвержден на опыте и лежит в основе теории относительности), то в каждый момент наблюдателю доступны не все мировые события, а заполняющие некоторый конус в пространстве-времени, называемый конусом прошлого. Только эти события способны оказать на него влияние. В свою очередь, наблюдателю в данный момент доступно повлиять лишь на события, лежащие для него в конусе будущего. Границу конусов образуют световые лучи. Наличие конусов в каждой мировой точке определяет причинную структуру пространства-времени. События, расположенные вне светового конуса (т.е. объединения конусов прошлого и будущего), причинно независимы. Считается, что они разделены пространственным интервалом, а их временное следование относительно. Абсолютное мировое время отсутствует; вернее сказать, оно может быть введено в эту картину мира лишь некоторым внешним образом. Именно такой смысл имеет слово «время» в различных космологических моделях.

Общий принцип относительности отождествляет геометрию пространства-времени (т.е. световой конус и масштаб для измерения пространственно-временных интервалов в каждой мировой точке) и поле тяготения. Присутствие гравитационных сил выражается в ненулевой кривизне пространства-времени — в их отсутствие оно становится «плоским». Таким образом, сами пространственно-временные формы приобретают динамический характер и определяются нелинейными уравнениями гравитации Эйнштейна. Тождество гравитационных и пространственно-временных явлений нашло отражение в принципе эквивалентности, согласно которому наблюдатель, находящийся внутри замкнутой системы, не может изнутри этой системы определить характер происшедших с ней изменений, так как внешние показатели действия гравитации, с одной стороны, и ускоренного движения системы — с другой, вызывающие изменения пространственно-временных характеристик, полностью совпадают. Отсюда следует, что поле тяготения и поле, созданное ускоренным движением, физически неотличимы, эквиваленты. Эйнштейн также показал, что движение, определяемое силами гравитации, есть, по существу, движение тела по инерции, но уже в неевклидовом пространстве-времени.

Фундаментальный философский вывод, следующий из теории относительности, гласит: пространство и время не существуют без материи, их метрические свойства создаются распределением и взаимодействием материальных масс, т. е. гравитацией. Сам Эйнштейн, отвечая на вопрос о сущности своей теории, нашедшей многочисленные экспериментальные подтверждения, сказал следующее. «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство и время» .

Наличие метрических свойств пространства и времени есть проявление гравитационных сил. Если бы не было гравитации, не было бы времени и пространства. Следовательно, пространство и время вне материи не существуют. А так как материя находится в непрестанном движении, то пространство и время меняют свои свойства в зависимости от этого движения. Физическая относительность одновременности является одним из выражений единства пространства и времени с движением материи^[2]. Это позволяет, в частности, взглянуть на течение времени как на нечто, что вовсе не всегда остается равным самому себе, а это значит, что оно относительно (в философском смысле). Существующая у нас иллюзия, будто два события, одновременные по отношению к одному телу, одновременны и по отношению к другим телам независимо от их относительного движения, связана с ограниченным земным опытом. Мы склонны полагать, что данное мгновение охватывает всю Вселенную. Эта кажимость могла бы иметь физический смысл, если бы воздействие на удаленное тело происходило бы с бесконечной скоростью, но бесконечных скоростей взаимодействия тел нет Каждое событие происходит через некоторое время после вызвавшего его другого события. Одного и того же мгновения для всего мира быть не может. В мире нет единственного «сейчас», разделяющего все прошлые события от событий будущего. Каждая система имеет свое «сейчас», свое прошлое и будущее. С этим фундаментальным положением связаны и другие важные результаты. Оказывается, расстояние между какими-либо телами, находящимися в пространстве на конечном удалении друг от друга, неодинаково в различных движущихся системах отсчета: с возрастанием скорости длина тела сокращается. В мире нет абсолютной длины тела: в зависимости от системы отсчета она меняется. Подобно этому промежуток времени между какими-либо событиями различен в различных движущихся материальных системах: с возрастанием относительной скорости он уменьшается. Поэтому путешественник, который движется со скоростью, близкой к скорости света, стареет медленнее своего близнеца, оставшегося дома^[3].

Итак, в теории относительности Эйнштейна нашла свое естествен но-научное развитие идея о единстве пространства-времени с материей: пространство и время не самостоятельные субстанции, а способ существования единой субстанции — материи, рассмотренной с точки зрения гравитационного взаимодействия. В то же время в теории относительности нашел выражение (на более высоком уровне) и субстанциональный подход к пространству-времени. Когда «чистое» пространство-время, т. е. геометрия, отождествляется с гравитацией, оно приобретает динамические свойства, которые суть атрибут материи. Универсальность гравитационного взаимодействия и его «геометрический» характер одновременно выделяют гравитацию из других видов материи, придавая ей, а значит и пространству-времени, признаки всеобщей среды, в которую погружена материя. Среда может быть пустой: может существовать «пустое» пространство-время, отождествляемое с чистой гравитацией, в отсутствие другой материи. Это возвращает нас к понятию об эфире на раннем этапе теории относительности считалось, что эфир окончательно изгнан ею из физической картины мира (такое мнение почти общепризнано и сейчас). Однако сам Эйнштейн сопротивлялся этому: «Отказаться от эфира, значит предположить, что пустое пространство не обладает никакими физическими свойствами»^[4]. Более того, Эйнштейн был уверен, что пространственно-временная кривизна не является единственным свойством, которым обладает эфир. Общая теория относительности дача толчок развитию понятия " вакуум" (от лат. vacuum — пустота). В релятивистской квантовой теории поля получила поддержку идея, что на вакуум можно смотреть как на эфир, обладающий структурой: квантовый вакуум оказывается средой, способной порождать частицы. Отличие «пустого» пространства-времени в общей теории относительности и квантово-полевого вакуума от предыдущих представлений о пустоте и абсолютном пространстве заключается в динамическом характере и «небезразлично» к помещаемой в них материи. Если бы вся (негравитационная) материя каким-то образом тоже соединилась с геометрией (к чему стремился Эйнштейн в своей программе единой теории поля, которая, кажется, сейчас приобрела новое рождение), то можно было бы говорить о полном слиянии пространства, времени и материи. Такое слияние обнаружило бы новые свойства пространства и времени, пока нам неведомые.

Как указывал А. Ф. Лосев, это единство подозревали уже античные мыслители, которые представляли его себе в виде различным образом натянутой струны, т. е. с разной степенью напряженности, сгущенности и разреженности. Тут и энергийность пространства, и его органическая связь с материей, ее бесконечной активностью, и понимание пространства как тончайшей вибрирующей среды, полной могучей потенции. Мудрость древних отвергала чистое, пустое и абсолютно однородное пространство: она брала его со всеми теми моментами плотности, кривизны и пластической фигурность, которые спустя многие века научная мысль стала считать присущим самим телам, а не занимаемому ими пространству.

• [1] Специальный принцип относительности (специальная теория относительности — СТО) введен в 1905 г. При этом большую роль сыграли предшествующие работы французского математика Жюля Анри Пуанкаре (1854—1912) и нидерландского физика Хендрика Лоренца (1853—1928). Единый четырехмерный пространственно-временной континуум как естественная форма для построения СТО был пред/южен немецким математиком и физиком Германом Минковски (1864—1909). Общий принцип относительности (общая теория относительности — ОТО) разработан в 1907—1915 гг. Правильные уравнения гравитации независимо от А. Эйнштейна были получены немецким математиком Давидом Гильбертом (1862—1943).
• [2] Для осмысления этого факта необходимо еще раз подчеркнуть, что пространственно-временное описание явлений невозможно без наличия системы отсчета, относительно которой ведется наблюдение.
• [3] С этим связан определенный парадокс, называемый «парадоксом близнецов». Этот парадокс (разрешаемый ОТО) показывает неотносительность ускорения: путешественник отличается от близнеца-домоседа именно тем, что он испытывал ускорение, по крайней мере при взлете и посадке. Данный принцип может быть интересен еще и потому, что говорит о неуместности толкований теории Эйнштейна в духе «всё относительно» .
• [4] Цит. по: Де Витт, Б. С. Квантовая гравитация: новый синтез // Общая теория относительности. — М., 1983. — С. 296.