Проблема пространства и времени

      Наряду с объективными представлениями  о пространстве – времени существовали и идеалистические концепции (Беркли, Мах, Авенариус  и др.), которые ставят пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события,  располагать их одно после другого. Так,  Кант рассматривал пространство и  время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные  категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии Евклида в течение двух тысячелетий.

       После выхода в свет "Начал"  Ньютона физика начала активно развиваться,   причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света вновь 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 твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией  Ньютоновского абсолютного пространства.

      Проблема пространства и времени  была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое  абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель   благодаря божественному проведению. Концепция же близкодействия (Декарт,  Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как  протяженности вещества и эфира, в котором свет распространяется с конечной  скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к  точке которого и передавалось взаимодействие. Именно это понимание  взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической  физике,   было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы  эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство  и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее  связями и взаимодействиями.

      Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории  относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давней ей  естественнонаучное обоснование.

Специальная теория относительности. 

      Специальная теория относительности,  созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. “Она описывает законы  всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света,  но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она  сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее  частным случаем”.[4, с. 157]

       Исходным пунктом этой теории  стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и  равномерно относительно первой.”[9,с. 130] Такие системы называются  инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции,  гласящему: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного  прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил.”[9, с. 126]

      Галилей разъяснял это положение  различными наглядными примерами. Из принципа относительности  следует, что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной  разницы. Разница   только в точке зрения. Например, путешественник в каюте корабля с полным  основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек  на  берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той  же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или нет? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто “да” или  “нет”. Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой  тратой  времени,  если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и  чтобы  согласовать  позиции,  им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем. Таким образом, слово  “относительно” в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего  особенного. Оно не  имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение  о том, что движение или покой - всегда движение  или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно,  не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой  разницы. Но понятие  покоя  и движения  приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

      Если классический  принцип  относительности  утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то  в  специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала  инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как  инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются  системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.

       В соответствии со специальной  теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно- временной континуум, пространственно - временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в  направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в  вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в  быстродвижущихся  системах, масса тела увеличивается.

       Находясь в сопутствующей системе  отсчета, то есть, двигаясь параллельно  и  на  одинаковом  расстоянии  от  измеряемой  системы,  нельзя заметить эти  эффекты,  которые  называются релятивистскими, так как все используемые  при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в  инерциальных  системах  отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если  воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на  Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость  корабля будет ближе к скорости  света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета  вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

   Итак, специальная теория относительности  базируется на расширенном  принципе относительности  Галилея.  Кроме  того, она использует еще одно   новое положение: скорость распространения света (в  пустоте) одинакова во  всех инерциальных системах отсчета. Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности?  Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в  природе, предельная  скорость  физических  взаимодействий.  Долгое время ее вообще считали бесконечной. Она была установлена XVII веке, составив 300 000 км/с.

      Представим себе эксперимент:  со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет    распространяется со скоростью света. Какова скорость  распространения света относительно земли? Она остается такой же. Даже если свет будет  испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположном направлении, то и  тогда относительно Земли скорость света не изменится.

      Эксперимент, который  должен  был показать изменение скорости  света в движущихся телах  и   соответственно  абсолютных  характер  движения  этих тел,  был выполнен в 1881 г.  Майкельсоном (1852 - 1931). В последствии его не раз повторяли. По существу, эксперимент Майкельсона соответствовал сравнению скорости сигналов, идущих к экранам на корме и на носу движущегося корабля, но в качестве корабля была использована сама Земля, движущаяся в пространстве со скоростью около 30 км/сек. Далее, сравнивали не скорость луча, догоняющего тело, и луча, идущего навстречу телу, а  скорость распространения света в продольном и поперечном направлениях. В  инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так называемом интерферометре, один луч шел по направлению движения Земли - в продольном плече  интерферометра,  а  другой  луч - в поперечном  плече.

Различие  в скоростях этих лучей должно было  продемонстрировать  зависимость скорости света в приборе от движения Земли.

      Результаты  эксперимента  Майкельсона   оказались   отрицательными.  На поверхности Земли свет движется с одной и той же скоростью во всех       направлениях.

      Такой вывод  казался  крайне  парадоксальным.  Он должен был   привести к  принципиальному отказу от классического  правила  сложения  скоростей. Свет проходит  с   неизменной  скоростью, приблизительно  равной 300000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет.  Свет - это путник, который 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, относительно пролетающего над ним самолета и т.д.       

   Это - иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость  которых  меньше  скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими  скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней,  нам  не  нужно  указывать  систему  отсчета. Абсолютность скорости  света  не  противоречит  принципу  относительности  и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости  -  закон  природы,  а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он  справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

      Скорость света - это верхний  предел  для  скорости  перемещения   любых тел в природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов.  “Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости.  Для  того чтобы сообщит телу скорость, равную скорости  света,  требуется  бесконечное количество энергии, и именно  поэтому  физически  невозможно, чтобы какое - нибудь тело  достигло  этой  скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые  проводились  над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели  квадрат  ее  скорости,  и  становится бесконечной для скорости, равной скорости света”[7, с. 225]. Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

      Со скорость света тесно связано решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения. В  классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность. В  теории  относительности Эйнштейна   вопрос  о свойствах и структуре  эфира трансформируется в вопрос о реальности   самого эфира. Отрицательные  результаты многих  экспериментов  по обнаружению    эфира нашли естественное  объяснение в теории относительности - эфир не  существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики.

       Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили  Эйнштейну перейти  от  теории  Максвелла  для  покоящихся  тел  к непротиворечивой   электродинамике   движущихся  тел. Далее  Эйнштейн рассматривает относительность  длин и промежутков времени, что приводит  его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла.

      Коренным отличием специальной  теории относительности от предшествующих теорий является признание пространства и времени  в  качестве внутренних  элементов  движения  материи,  структура  которых  зависит  от природы  самого  движения,  является  его  функцией.  В  подходе  Эйнштейна пространству и времени придаются новые свойства:  относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени.

      В 1907-1908  гг.  Герман  Миньковский  (1864  -  1908)  придал  теории относительности весьма стройную и важную для последующего обобщения геометрическую форму. В  статье  "Принцип  относительности"  (1907)   и  в докладе "Пространство и время" (1908) теория Эйнштейна была  сформулирована в виде учения об инвариантах  четырехмерной  евклидовой  геометрии. У нас нет сейчас ни возможности, ни необходимости давать  сколько-нибудь  строгое определение инварианта и  присоединить  что-нибудь  новое к тому, что уже было о нем сказано. Понятие многомерного  пространства,   в   частности четырехмерного пространства,  также  не требует здесь строгого определения; можно ограничиться самыми краткими  пояснениями. Если перейти к  иной системе отсчета,  координаты каждой точки  изменятся,  но  расстояние  между точками    при    таком    координатном   преобразовании не изменятся. Инвариантность  расстояний  при  координатных   преобразованиях  может  быть показана не только в геометрии на плоскости, но и  в  трехмерной  геометрии. При  движении  геометрической  фигуры  в  пространстве  координаты точек меняются, а расстояния между ними  остаются  неизменными. Как уже было сказано, существование инвариантов  координатных преобразований можно назвать равноправностью систем отсчета, равноценностью точек, в каждой можно поместить начало координатной  системы,   причем   переход  от  одной системы к другой не  сказывается  на  расстояниях  между  точками.  Подобная равноценность  точек   пространства   называется   его   однородностью.    В сохранении формы тел и соблюдении  неизменных  законов   их   взаимодействия при   преобразованиях   выражается  однородность  пространства. Однако при очень больших  скоростях,   близких  к  скорости  света,  становится   очень существенной  зависимость  расстояния  между  точками  от  движения  системы отсчета.  Если одна  система  отсчета движется по отношению  к  другой,   то длина стержня,  покоящегося  в  одной  системе,   окажется  уменьшенной  при измерении  ее  в   другой  системе.  В  теории  Эйнштейна   пространственные расстояния (как  и  промежутки  времени)  меняются  при  переходе  от  одной системы отсчета к другой, движущейся  относительно  первой.  Неизменной  при таком  переходе  остается  другая  величина.