Философские проблемы и парадигмы современного естествознания и техники

ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ И ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Теорию относительности (ТО) (специальную (СТО) и общую (ОТО)) иногда называют «теорией пространства и времени». Для этого можно привести ряд оснований: 1) ход Эйнштейна, заключающийся в том, что он стал работать с метрическими свойствами пространства и времени; 2) провозглашение связи пространства и времени в четырехмерном многообразии Минковкого; 3) сведение сил гравитации в ОТО к кривизне этого четырехмерного многообразия; 4) вклад ТО в начатый Лейбницем спор с ньютоновской концепцией абсолютного пространства и времени — наиболее глубокого онтологического вопроса об их природе. Рассмотрим эти пункты.

Ход Эйнштейна. Теория относительности как теория метрики пространства и времени

Рассмотрим ТО, исходя из структуры оснований раздела физики, предложенной в гл. 9.

Первое, на что хотелось бы обратить внимание, — это на то, что СТО и ОТО являются ответом на проблему противоречия между старыми и новыми разделами физики, а не на возникновение новых экспериментальных данных. Так, СТО — это снятие противоречия между ньютоновской механикой и максвелловской электродинамикой. Все начинается с проблемы распространения принципа относительности для инерциальных систем отсчета (и.с.о.) на новую электродинамику. Решение этой проблемы, с математической точки зрения, требовало перехода от преобразований Галилея к преобразованиям Лоренца. Но далее возникал вопрос о физической основе возникавших из этих преобразований сокращения длин и замедления времени. Лоренц попытался списать эти эффекты на воздействие эфира на движущиеся тела (экспериментально это нельзя было бы выявить даже в принципе). Эйнштейн предложил другой механизм, связанный с процедурами измерения: он перенес свойства, которыми раньше наделяли «твердый метр» (неизменность при переносе из одной инерциальной системы отсчета в другую), на скорость света, т. е. сменил главный эталон. Нетрудно показать, что наделение «твердого метра» свойством инвариантности по отношению к переносу из одной и.с.о. в другую ведет к преобразованиям Галилея, а если наделить этими свойствами скорость света, то получим преобразования Лоренца^[1].

Поскольку речь идет о процедурах измерения, то эти эффекты имеют место в любом разделе физики, где есть длины (размеры) и интервалы времени, т. е. практически во всех разделах физики. Поэтому для них появляются наряду со старым нерелятивистскими новые релятивистские формулировки (исключением является электродинамика, которая существует только в релятивистском виде). То есть СТО не создает новых первичных идеальных объектов — ПИО (см. гл. 9), а лишь модифицирует их поведение (делает их релятивистскими). К этому надо добавить также некоторые модификации уравнений движения, чтобы сделать их лоренц-инвариантными при соблюдении принципа соответствия (см. подпараграф 9.7.4), требующего, чтобы при стремлении (v/c) к нулю новые уравнения движения превращались в старые. Из обновленного уравнения движения следует знаменитая формула Е = тс². Но все-таки главным и принципиально новым в СТО было изменение эталона в процедурах измерения. В результате в СТО метрики пространства (длины) и времени (интервалы и одновременность) становятся зависимыми от движения.

Если СТО возникает как результат снятия противоречия между ньютоновской механикой и максвелловской электродинамикой, то ОТО — это снятие противоречия между ньютоновской теорией тяготения и новой СТО, ибо ньютоновский принцип дальнодействия фактически утверждал бесконечную скорость распространения гравитационного взаимодействия (воздействия), а СТО утверждала, что ничто физическое не может распространяться со скоростью выше скорости света. Предложенное Эйнштейном в ОТО решение опять касалось метрики.

Этот ход Эйнштейна порождает два вопроса относительно сущности пространства и времени: 1) сводится ли гравитация к кривизне; 2) с кривизной чего мы имеем дело: 3-мерного пространства и 1-мерного времени или 4-мерного пространственно-временного многообразия?

• [1] Лоренцево сокращение длин и замедление времени легко выводятся из сравнения ходасветовых часов, в виде двух зеркал, расположенных перпендикулярно движению и.с.о. и лучасвета, бегающего между ними вместо маятника в «движущейся» и «неподвижной» и.с.о. [25,с. 12—15]). Замедление времени следует из того, что путь, проходимый лучом в «неподвижной» и.с.о., будет длиннее, чем в «движущейся», аналогичным образом можно показать относительность одновременности и следующее из нес сокращение длин (длина метрапереносится из одной и.с.о. в другую посредством одновременных зарубок, но посколькуодновременное в «движущейся» и.с.о. будет неодновременным в «неподвижной» и.с.о., топоправка даст сокращение длины, отвечающее лоренцевому сокращению).