Время и пространство

      Представим себе эксперимент:  большой спутник движется по  орбите вокруг Земли, и с   него,  как  с  космодрома,  запускается  ракета  -  межпланетная  станция  к  Венере.  Запуск  производится  строго  в  направлении   движения орбитального космодрома.  Из  законов классической  механики  следует,  что относительно  Земли ракета  будет иметь скорость,   равную   сумме   двух скоростей:  скорость  ракеты  относительно  орбитального   космодрома   плюс скорость   самого   космодрома   относительно   Земли.   Скорости   движений складываются,  и  ракета  получает  довольно   большую   скорость,   которая позволяет преодолеть притяжение Земли и улететь к Венере. 

      Другой 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.  Скорость света одна и та  же во всех телах, движущихся  по  отношению  друг  к другу равномерно и  прямолинейно. 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.,  или  пассажир,  который  движется  по вагону мчащегося поезда с одной и той  же  скоростью относительно  вагона  и относительно Земли. 

      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.  Она максимальна  -  это  абсолютный  рекорд  скорости.  “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”[4]. Поэтому часто  говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации.  И  предельная скорость  любых  физических  взаимодействий,  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:  "Два  события, одновременные  при  наблюдении  из  одной  координатной  системы,   уже   не воспринимаются как одновременные при  рассмотрении  из  системы,  движущейся относительно данной".

      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.