Философское значение теории относительности. Философские проблемы теории относительности

Р Е Ф Е Р А Т

Философские аспекты теории относительности

Эйнштейна

Горинов Д.А.

Пермь 1998г.
Введение.

В конце XIX начале XX веков был сделан ряд крупнейших открытий, с которых началась революция в физике. Она привела к пересмотру практически всех классических теорий в физике. Возможно, одной из самых крупных по значимости и сыгравших наиболее важную роль в становлении современной физики наряду с квантовой теорией была теория относительности А.Эйнштейна.

Создание теории относительности позволило пересмотреть традиционные взгляды и представления о материальном мире. Такой пересмотр существовавших взглядов был необходим, так как в физике накопилось много проблем, которые не могли быть решены с помощью существовавших теорий.

Одной из таких проблем был вопрос о предельности скорости распространения света, которая с точки зрения господствовавшего тогда принципа относительности Галилея, основывавшегося на преобразованиях Галилея, исключалась. Наряду с этим существовало множество экспериментальных фактов в пользу представлений о постоянстве и предельности скорости света (универсальной постоянной). Примером здесь может служить осуществленный в 1887 г. опыт Майкельсона и Морли показавший, что скорость света в вакууме не зависит от движения источников света и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. А также наблюдения датского астронома Оле Ремера, определившего еще в 1675г. по запаздыванию затмений спутников Юпитера конечную величину скорости света.

Другая значимая проблема, возникшая в физике, была связана с представлениями о пространстве и времени. Существовавшие в физике представления о них основывались на законах классической механики, поскольку в физике господствовал взгляд, согласно которому всякое явление имеет, в конечном счете, механистическую природу, так как принцип относительности Галилея представлялся всеобщим, относящимся к любым законам, а не только к законам механики. Из принципа Галилея, основывавшегося на преобразованиях Галилея, следовало, что пространство не зависит от времени и наоборот время от пространства.

Пространство и время мыслились как заданные и независимые друг от друга формы, в них укладывались все делавшиеся в физике открытия. Но такое соответствие положений физики концепции пространства и времени существовало лишь до тех пор, пока не были сформулированы законы электродинамики, выраженные в уравнениях Максвелла, так как выяснилось, что уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея.

Незадолго до создания теории относительности, Лоренцем были найдены преобразования, при которых уравнения Максвелла оставались инвариантными. В этих преобразованиях, в отличие от преобразований Галилея, время в различных системах отсчета не было одинаковым, но самым главным было то, что из этих преобразований уже не следовало, что пространство и время независимы друг от друга, так как при преобразовании координат участвовало время, а при преобразовании времени - координаты. И как следствие этого встал вопрос - как поступить? Существовало два решения, первое - считать, что электродинамика Максвелла ошибочна, или второе - предположить, что классическая механика с ее преобразованиями и принципом относительности Галилея является приближенной и не может описать всех физических явлений.

Таким образом, на этом этапе в физике проявились противоречия между классическим принципом относительности и положением об универсальной постоянной, а также между классической механикой и электродинамикой. Было много попыток дать другие формулировки законам электродинамики, но они не увенчались успехом. Все это сыграло роль предпосылок к созданию теории относительности.

Работы Эйнштейна наряду с громадным значением в физике имеют, также, большое философское значение. Очевидность этого следует из того, что теория относительности связана с такими понятиями как материя, пространство, время и движение, а они являются одними из фундаментальных философских понятий. Диалектический материализм нашел аргументацию своим представлениям о пространстве и времени в теории Эйнштейна. В диалектическом материализме дается общее определение пространства и времени как форм бытия материи, а следовательно, они неразрывно связаны с материей, неотрывны от нее. «С позиций научного материализма, который основывается на данных частных наук, пространство и время - не самостоятельные независимые от материи реальности, а внутренние формы ее бытия» . Такую неразрывную связь пространства и времени с движущейся материей с успехом показала теория относительности Эйнштейна.

Были также попытки использовать теорию относительности идеалистами в качестве доказательства своей правоты. Так, например, американский физик и философ Ф. Франк говорил, что физика ХХ века, особенно теория относительности и квантовая механика остановили движение философской мысли к материализму, основанное на господстве механической картины мира в прошлом веке. Франк говорил, что «в теории относительности, закон сохранения материи больше не имеет силы; материя может превращаться в нематериальные сущности, в энергию» .

Однако все идеалистические трактовки теории относительности основываются на искаженных выводах. Примером этому может служить то, что иногда идеалисты подменяют философское содержание понятий "абсолютное" и "относительное" физическим. Они утверждают, что поскольку координаты частицы и ее скорость всегда останутся сугубо относительными величинами (в физическом смысле), т. е. они никогда не превратятся даже приближенно в абсолютные величины и поэтому, якобы, никогда не смогут отражать абсолютную истину (в философском смысле). В действительности же координаты и скорость, не смотря на то, что не обладают абсолютным характером (в физическом смысле), являются приближением к абсолютной истине.

Теория относительности устанавливает относительный характер пространства и времени (в физическом смысле), а идеалисты толкуют это как отрицание ею объективного характера пространства и времени. Относительный характер одновременности и последовательности двух событий вытекающий из относительности времени, идеалисты пытаются использовать для отрицания необходимого характера причинной связи. В диалектико-материалистическом понимании и классические представления о пространстве и времени и представления о теории относительности есть относительные истины, включающие в себя лишь элементы абсолютной истины.

До середины XIX века понятие материи в физике было тождественно понятию вещества. До этого времени физика знала материю только как вещество, которое могло иметь три состояния. Такое представление о материи имело место из-за того, что «объектами изучения классической физики являлись лишь движущиеся материальные тела в виде вещества, кроме вещества естествознание не знало других видов и состояний материи (электромагнитные процессы относили или к вещественной материи, или к ее свойствам)» . По этой причине механические свойства вещества были признаны универсальными свойствами мира в целом. Об этом упоминал в своих работах Эйнштейн, писав, что «для физика начала девятнадцатого столетия, реальность нашего внешнего мира состояла из частиц, между которыми действуют простые силы, зависящие только от расстояния» .

Представления о материи начали меняться лишь с появлением нового понятия, введенного английским физиком М. Фарадеем - поля. Фарадей, открыв в 1831 г. электромагнитную индукцию и обнаружив связь между электричеством и магнетизмом, стал основоположником учения об электромагнитном поле и тем самым дал толчок к эволюции представлений об электромагнитных явлениях, а значит и к эволюции понятия материи. Фарадей впервые ввел такие понятия как электрическое и магнитное поле, высказал идею существования электромагнитных волн и тем самым открыл новую страницу в физике. В дальнейшем Максвелл дополнил и развил идеи Фарадея в результате чего и появилась теория электромагнитного поля.

Определенное время ошибочность отождествления материи с веществом не давала о себе знать, по крайней мере, явно, хотя вещество не охватывало собой всех известных объектов природы, не говоря уже об общественных явлениях. Однако принципиальное значение имело то, что материю, находящуюся в форме поля, было невозможно объяснить с помощью механических образов и представлений, и что эта область природы, к которой относятся электромагнитные поля, все больше начинала проявлять себя.

Открытие электрического и магнитного полей стало одним из фундаментальных открытий физики. Оно сильно повлияло на дальнейшее развитие науки, а также на философские представления о мире. Некоторое время электромагнитные поля не могли научно обосновать, построить вокруг них одну стройную теорию. Учеными было выдвинуто множество гипотез в попытке объяснить природу электромагнитных полей. Так Б. Франклин объяснял электрические явления наличием особой материальной субстанции состоящей из очень мелких частиц. Эйлер пытался объяснить электромагнитные явления посредством эфира, он говорил, что свет по отношению к эфиру то же самое, что звук по отношению к воздуху. В этот период стала популярна корпускулярная теория света, согласно которой световые явления объяснялись испусканием частиц светящимися телами. Были попытки объяснить электрические и магнитные явления существованием неких материальных субстанций соответствующих этим явлениям. «Их относили к различным субстанциальным сферам. Даже в начале XIX в. магнитные и электрические процессы объяснялись наличием соответственно магнитной и электрической жидкостей».

Явления связанные с электричеством магнетизмом и светом были известны давно и ученые, изучая их, пытались объяснить эти явления по раздельности, но с 1820г. такой подход стал невозможен, так как нельзя было игнорировать работы, проведенные Ампером и Эрстедом. В 1820г. Эрстедом и Ампером были сделаны открытия, в результате чего стала явной связь между электричеством и магнетизмом. Ампер обнаружил то, что если через проводник расположенный рядом с магнитом пропустить ток то на этот проводник начинают действовать силы со стороны поля магнита. Эрстед наблюдал другой эффект: влияние электрического тока протекающего по проводнику на магнитную стрелку, находящуюся рядом с проводником. Из этого можно было сделать вывод, что изменение электрического поля сопровождается возникновением магнитного поля. Эйнштейн отмечал особое значение сделанным открытиям: «Изменение электрического поля, произведенное движением заряда, всегда сопровождается магнитным полем - заключение основано на опыте Эрстеда, но оно содержит нечто большее. Оно содержит признание того, что связь электрического поля, изменяющегося со временем, с магнитным полем весьма существенна» .

На базе экспериментальных данных, накопленных Эрстедом, Ампером, Фарадеем и другими учеными, Максвелл создал целостную теорию электромагнетизма. Позднее, проведенные им исследования привели к заключению о том, что свет и электромагнитные волны имеет единую природу. Наряду с этим было обнаружено что электрическое и магнитное поле обладает таким свойством, как энергия. Об этом Эйнштейн писал: «Будучи вначале лишь вспомогательной моделью поле становится все более и более реальным. Приписывание полю энергии является дальнейшим шагом в развитии, в котором понятие поля оказывается все более существенным, а субстанциальные концепции, свойственные механистической точке зрения, все более отходят на второй план». Максвелл также показал, что электромагнитное поле будучи один раз созданным, может существовать самостоятельно, независимо от источника. Однако он не выделил поле в отдельную форму материи, которая была бы отлична от вещества.

Дальнейшее развитие теории электромагнетизма рядом ученых, в том числе Г.А. Лоренцем, поколебало привычную картину мира. Так в электронной теории Лоренца в отличие от электродинамики Максвелла заряд, порождающий электромагнитное поле, представлялся уже не формально, роль носителя заряда и источника поля у Лоренца начали играть электроны. Но на пути выяснения связи электромагнитного поля с веществом возникло новое препятствие. Вещество в соответствии с классическими представлениями мыслилось как дискретное материальное образование, а поле представлялось непрерывной средой. Свойства вещества и поля считались несовместимыми. Первым кто перебросил мост через эту пропасть, разделявшую вещество и поле, был М. Планк. Он пришел к выводу, что процессы испускания и поглощения поля веществом происходят дискретно, квантами с энергией E=h n . В результате этого изменилось представления о поле и веществе и привело к тому что было снято препятствие к признанию поля как формы материи. Эйнштейн пошел дальше, он высказал предположение о том, что электромагнитное излучение не только испускается и поглощается порциями, но распространяется дискретно. Он говорил что свободное излучение это поток квантов. Эйнштейн поставил в соответствие кванту света, по аналогии с веществом, импульс - величина которого выражалась через энергию E/c=h n /c (существование импульса было доказано в опытах проведенных русским ученым П. Н. Лебедевым в опытах по измерению давления света на твердые тела и газы). Здесь Эйнштейн показал совместимость свойств вещества и поля, так как левая часть приведенного выше соотношения отражает корпускулярные свойства, а правая - волновые.

Таким образом, подходя к рубежу XIX столетия, было накоплено множество фактов относительно представлений о поле и веществе. Многие ученые стали считать поле и вещество двумя формами существования материи, исходя из этого, а также ряда других соображений, возникла необходимость соединения механики и электродинамики. «Однако так просто присоединить законы электродинамики к законам движения Ньютона и объявить их единой системой, описывающей механические и электромагнитные явления в любой инерциальной системе отсчета, оказалось невозможным». Невозможность такого объединения двух теорий вытекала из того, что эти теории, как уже говорилось ранее, основаны на разных принципах, это выражалось в том, что законы электродинамики в отличие от законов классической механики являются нековариантными относительно преобразований Галилея.

Для того чтобы построить единую систему, в которую бы входила и механика и электродинамика существовало два наиболее очевидных пути. Первый состоял в том, чтобы изменить уравнения Максвелла, то есть законы электродинамики таким образом, чтобы они стали удовлетворять преобразованиям Галилея. Второй путь был связан с классической механикой и требовал ее пересмотра и в частности введения вместо преобразований Галилея других преобразований, которые обеспечили бы ковариантность как законов механики так и законов электродинамики.

Верным оказался второй путь, по которому и пошел Эйнштейн, создав специальную теорию относительности, которая окончательно утвердила новые представления о материи в своих правах.

В дальнейшем знания о материи были дополнены и расширены, более ярко стала выражена интеграция механических и волновых свойств материи. Это можно показать на примере теории, которая была представлена в 1924 г. Луи де Бройлем в ней де Бройль высказал предположение о том, что не только волны обладают корпускулярными свойствами, но и частицы вещества в свою очередь обладают волновыми свойствами. Так де Бройль поставил в соответствие движущейся частице волновую характеристику - длину волны l = h/p, где p - импульс частицы. Основываясь на этих идеях, Э. Шредингер создал квантовую механику, где движение частицы описывается с помощью волновых уравнений. И эти теории, показавшие наличие волновых свойств у вещества, были подтверждены экспериментально - так например, было обнаружено при прохождении микрочастиц через кристаллическую решетку можно наблюдать такие явления, как раньше считалось, присущие только свету, это дифракция и интерференция.

А также была разработана теория квантового поля, в основе которого лежит понятие о квантовом поле - особый вид материи, оно находится в состоянии частицы так и в состоянии поля. Элементарная частица в этой теории представляется как возбужденное состояние квантового поля. Поле - это тот же особый вид материи, который характерен и для частиц, но только находящийся в невозбужденном состоянии. На практике было показано, если энергия кванта электромагнитного поля превысит собственную энергию электрона и позитрона которая, как мы знаем из теории относительности, равна mc 2 и если такой квант столкнется с ядром, то в результате взаимодействия электромагнитного кванта и ядра возникнет пара электрон - позитрон. Существует также обратный процесс: при столкновении электрона и позитрона происходит аннигиляция - вместо двух частиц появляются два g-кванта. Такие взаимопревращения поля в вещество и назад вещества в поле указывают на существование тесной связи вещественной и полевой формы материи, что и было взято в основу при создании многих теорий, в том числе и в теории относительности.

Как можно видеть, после опубликования в 1905г. специальной теории относительности было сделано много открытий связанных с частными исследованиями материи, но все эти открытия полагались на то общее представление о материи, которое было впервые дано в работах Эйнштейна в виде целостной и непротиворечивой картины.

Пространство и время

Проблема пространства и времени, как и проблема материи, непосредственно связана с физической наукой и философией. В диалектическом материализме дается общее определение пространства и времени как форм бытия материи. «С позиций научного материализма, который основывается на данных частных наук, пространство и время - не самостоятельные независимые от материи реальности, а внутренние формы ее бытия» , а следовательно, они неразрывно связаны с материей, неотрывны от нее. Такое представление о пространстве и времени имеет место и в современной физике, однако в период господства классической механики было не так - пространство было оторвано от материи, не было связано с ней, не являлось ее свойством. Такое положение пространства относительно материи вытекало из учения Ньютона, он писал, что «абсолютное пространство по самой сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которые в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное... Место есть часть пространства, занимаемая телом, и по отношению к пространству бывает или абсолютным, или относительным».

Время представлялось также отдельным от материи и не зависело от каких-либо протекающих явлений. Ньютон разделил время, также как и пространство, на абсолютное и относительное, абсолютное - существовало объективно, это «истинное математическое время, само по себе и самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью». Относительное же время было лишь кажущимся, постигаемым лишь с помощью чувств, субъективным восприятием времени.

Пространство и время считались не зависимыми не только от явлений протекающих в материальном мире, но и друг от друга. Это субстанциальная концепция в этой концепции, как уже говорилось ранее, пространство и время являются самостоятельными по отношению к движущейся материи и не зависят друг от друга, подчиняются лишь собственным закономерностям.

Наряду с субстанциональной концепцией существовала и развивалась другая концепция пространства и времени - реляционная. В основном этой концепции придерживались философы-идеалисты, в материализме такая концепция была скорее исключением, чем правилом. Согласно этой концепции пространство и время не есть что-то самостоятельное, а являются производными от более фундаментальной сущности. Корни реляционной концепции уходят в глубь веков к Платону и Аристотелю. По Платону время было сотворено богом, у Аристотеля эта концепция получила большее развитие. Он колебался между материализмом и идеализмом и поэтому признавал две трактовки времени. Согласно одной из них (идеалистической) время представлялось как результат действия души, другая материалистическая состояла в том, что время представлялось результатом объективного движения, однако основным в его представлениях о времени, было, то что время не являлось самостоятельной субстанцией.

Во время господства в физике представлений о пространстве и времени данных в теории Ньютона в философии превалировала реляционная концепция. Так, Лейбниц на основе своих представлений о материи, более широких, нежели у Ньютона, довольно полно развил ее. Лейбниц представлял материю как духовную субстанцию, однако ценным было то, что в определении материи он не ограничился лишь вещественной ее формой, к материи он относил также и свет, и магнитные явления. Лейбниц отвергал существование пустоты и говорил, что материя существует всюду. Исходя из этого, он отверг ньютоновскую концепцию пространства как абсолютного, а следовательно, отбросил и то, что пространство есть нечто самостоятельное. Согласно Лейбницу было бы невозможным рассматривать пространство и время вне вещей, так как они являлись свойствами материи. «Материя, считал он, играет определяющую роль в пространственно-временной структуре. Однако такое представление Лейбница о времени и пространстве не находило подтверждения в современной ему науке и потому не было принято его современниками».

Лейбниц был не единственным, кто противостоял Ньютону, среди материалистов можно выделить Джона Толанда он, также как и Лейбниц, отвергал абсолютизацию пространства и времени, по его мнению, было бы невозможным мыслить пространство и время без материи. Для Толанда не существовало абсолютного пространства отличного от материи которое бы являлось вместилищем материальных тел; нет и абсолютного времени, обособленного от материальных процессов. Пространство и время суть свойства материального мира.

Решающий шаг к развитию материалистического учения о пространстве, основанного на более глубоком понимании свойств материи был сделан Н. И. Лобачевским в 1826г. До этого времени геометрия Евклида считалась верной и незыблемой, в ней говорилось, что пространство может быть только прямолинейным. На евклидову геометрию опирались практически все ученые, так как ее положения прекрасно подтверждались на практике. Исключением не был и Ньютон в создании своей механики.

Лобачевский впервые предпринял попытку подвергнуть сомнению незыблемость учения Евклида, «он разработал первый вариант геометрии криволинейного пространства, в которой через точку на плоскости можно провести более одной прямой параллельной данной, сума углов треугольника меньше 2d и так далее; введя постулат о параллельности прямых, Лобачевский получил внутренне не противоречивую теорию» .

Геометрия Лобачевского была первой из множества разработанных позднее подобных теорий, в качестве примера можно привести сферическую геометрию Римана и геометрию Гаусса. Таким образом, стало ясно, что геометрия Евклида не является абсолютной истиной, и что при определенных обстоятельствах могут существовать другие геометрии отличные от Евклидовой.

«Успехи естественных наук, приведших к открытию материи в состоянии поля, математических знаний, открывших неевклидовы геометрии, а также достижения философского материализма являлись фундаментом, на котором возникло диалектико-материалистическое учение об атрибутах материи. Это учение впитало в себя всю совокупность накопленных естественнонаучных и философских знаний, опираясь на новое представление о материи». В диалектическом материализме категории пространства и времени признаются отражающими внешний мир, они отражают общие свойства и отношения материальных объектов и поэтому имеют общий характер - ни одно материальное образование не мыслимо вне времени и пространства.

Все эти положения диалектического материализма были следствием анализа философских и естественнонаучных знаний. Диалектический материализм соединил в себе все то позитивное знание, накопленное человечеством за все тысячелетия его существования. В философии появилась теория, которая приблизила человека к пониманию окружающего его мира, которая дала ответ на основной вопрос - что есть материя? В физике же до 1905г. такой теории не существовало, имелось множество фактов, догадок, но все выдвигаемые теории содержали лишь осколки истины, многие появлявшиеся теории противоречили друг другу. Такое положение вещей имело место вплоть до опубликования Эйнштейном своих работ.

Бесконечная лестница познания

Создание теории относительности было закономерным результатом переработки накопленных человечеством физических знаний. Теория относительности стала следующей ступенью развития физической науки, включив в себя позитивные моменты предшествующих ей теорий. Так, Эйнштейн в своих работах, отрицая абсолютизм механики Ньютона, не отбросил ее полностью, он отвел ей подобающее место в структуре физического знания, считая, что теоретические выводы механики пригодны лишь для определенного круга явлений. Аналогичным образом обстояло дело и с другими теориями, на которые опирался Эйнштейн, он утверждал преемственность физических теорий, говоря, что «специальная теория относительности представляет собой результат приспособления основ физики к электродинамике Максвелла-Лоренца. Из прежней физики она заимствует предположение о справедливости евклидовой геометрии для законов пространственного расположения абсолютно твердых тел, инерциальную систему и закон инерции. Закон равноценности всех инерциальных систем с точки зрения формулирования законов природы специальная теория относительности принимает справедливым для всей физики (специальный принцип относительности). Из электродинамики Максвелла-Лоренца эта теория заимствует закон постоянства скорости света в вакууме (принцип постоянства скорости света)».

Вместе с тем Эйнштейн понимал, что специальная теория относительности (СТО) также не являлась незыблемым монолитом физики. «Можно лишь заключить, - писал Эйнштейн, - что специальная теория относительности не может претендовать на неограниченную применимость; ее результаты применимы лишь до тех пор, пока можно не учитывать влияние гравитационного поля на физические явления (например световые)». СТО была лишь очередным приближением физической теории, действующим в определенных рамках, которыми являлось гравитационное поле. Логическим развитием специальной теории стала общая теория относительности, она разорвала «гравитационные путы» став на голову выше специальной теории. Тем не менее, общая теория относительности не опровергала специальную теорию, как пытались представить оппоненты Эйнштейна, по этому поводу он в своих работах писал: «Для бесконечно малой области координаты всегда можно выбрать таким образом, что гравитационное поле будет отсутствовать в ней. Тогда можно считать, что в такой бесконечно малой области выполняется специальная теория относительности. Тем самым общая теория относительности связывается со специальной теорией относительности, и результаты последней переносятся на первую» .

Теория относительности позволила сделать громадный шаг вперед в описании окружающего нас мира, объединив бывшие обособленными понятия материи, движения, пространства и времени. Она дала ответы на множество вопросов остававшихся неразрешенными в течение веков, сделала ряд предсказаний подтвердившихся впоследствии, одним из таких предсказаний было предположение сделанное Эйнштейном об искривлении траектории светового луча вблизи Солнца. Но вместе с этим перед учеными возникли новые проблемы. Что стоит за явлением сингулярности, что происходит со звездами-гигантами, когда они «умирают», что есть на самом деле гравитационный коллапс, как зарождалась вселенная - решить эти и многие другие вопросы станет возможным, лишь поднявшись еще на одну ступень вверх по бесконечной лестнице познания.

Орлов В.В. Основы философии (часть первая)

Ньютон И. Математические начала натурфилософии.

Д. П. Грибанов Философские основания теории относительности М.1982, с.143

В.В. Орлов Основы Философии, часть первая, с. 173

Грибанов Д.П. Философские основания теории относительности. М. 1982г., с.147

Эйнштейн А. Собрание научных трудов, М., 1967, т. 2, с. 122

Эйнштейн А. Собрание научных трудов, М., 1967, т. 1, с. 568

Эйнштейн А. Собрание научных трудов, М., 1967, т. 1, с. 423

Пространство и время - всеобщие формы бытия материи. Пространство - протяжённость, сосуществование вещей, время - длительность. На уровне понятий протяжённость и длительность выражаются в абстрагируемых от них признаках - измерениях. Пространство характеризуется двумя измерениями, время одним: оно течёт от прошлого к настоящему и к будущему. Одномерность времени связана, поэтому с однонаправленностью и необратимостью. Пространству свойственна обратимость, движение возможно в прямом и обратном направлении. Пространство и время обладают однородностью, различные точки пространства одинаково тождественны, также и моменты времени. Пространство изотропно, т.е. все направления в пространстве равноценны, одинаковы. Пространство и время - внутренние формы бытия материи, объективные формы (с позиции научного материализма). Пространство и время - две противоположные, взаимосвязанные и взаимодополняющие формы бытия материи. Сосуществующие в пространстве вещи, могут сосуществовать во времени и существующие во времени вещи образуют пространство... . Любая из основных форм бытия, таким образом, выступает в качестве условия другого. ... физические представления о пространстве и времени связаны с теорией Эйнштейна. Теория относительности основывается на принципах: - Постоянства скорости света в пустоте. - Относительности. На их основе Эйнштейн разработал теорию физического пространства и времени, где пространство и время зависимы от движения физических тел по мере приближения к скорости света. Эйнштейн открыл свойство пространство и времени - быть объективно различными в различных физических системах. Общая теория относительности ввела представление о взаимосвязи и взаимодополняемости пространства и времени. Общая теория относительности исходит из признания тяготения, которое определяет свойства пространства и времени. С позиций общей теории относительности протяжённость и длительность зависят от интенсивности гравитации, чем интенсивнее поле тяготения, тем меньше протяжённость и медленнее течёт время. Общая теория относительности ввела понятие о кривизне пространства. - Теория относительности подтвердила диалектико-материалистическое понимание пространства и времени, их неразрывные связи друг с другом и материей. - Теория относительности дала толчок и материал для существенного углубления научно философской концепции пространства, времени, движения и материи. - В науку и философию входит понятие о различных формах пространства и времени.

22. Движение - способ существования материи. Движение и покой. Критика энергетизма.

Наряду с пространством и временем, способом существования материи являются движение и развитие. Движение есть абстрактная сторона развития. Движение - изменение вообще. Все вещи обладают способностью изменения, перехода из одного состояния в другое. Движение - перемена места в пространстве, изменение физических полей, химического состава, структуры и функций организмов, рост знаний и т.д. движение может быть определено как снятие абстрактного тождества предмета с самим собой. Любая вещь, оставаясь до какого то предела самой собой, в то же время непрерывно меняется, перестаёт быть тождественной себе. Вне такого непрерывного движения вещь не существует и не может мыслиться. Поэтому в марксистской диалектике понятие абсолютного покоя рассматривается как несостоятельное. Движение и покой. Движение предполагает материальный субстрат, который изменяется. Это значит, что движение должно быть связано с чем то сохраняющимся, относительно покоящимся. Если абсолютизировать движение и полностью отрицать покой, это приводит к тому, что вещь, как носитель движенья, растворяется в чистом движении, что делает бессмысленным и само понятие движения. Покой и движение не являются полноправными. Покой выступает как момент движения. Поэтому диалектика рассматривает движение как абсолютное, а покой как относительный. Покой относителен в двух смыслах: 1) В пределах каждого покоящегося происходят непрерывные изменения, подрывающие покой изнутри. 2) Всякое состояние покоя рано или поздно сменяется новым состоянием относительного покоя. Так как всякое движение включает в себя моменты покоя, но не сводится к нему, понятие движения получает широкий и узкий смысл: - В широком смысле движение целостный процесс, включающий моменты покоя и собственно движения. - В узком смысле движение за вычетом покоя. Материя и движение неразрывно связаны. Как нет материи без движения, так нет движения без материи. Движение принадлежит материи, являясь её способом существования, свойством материи. С другой стороны, движение существует как изменение чего-либо, некоторого субстрата. Само понятие движения теряет смысл, если его оторвать от понятия движущегося тела. Попытку оторвать движение от материи предпринял в начале двадцатого века Освальд (махизм). Он полагал, что противоположность материализма и идеализма может быть преодолена, если понятия материи и духа заменить нейтральным понятием энергии, но это просто изменение терминологии. Освальд фактически рассматривал энергию, как существующую объективно, вне сознания. С появлением соотношения массы и энергии, энергетизм стремился доказать, что оно свидетельствует о превращении материи в энергию. Однако эта формула фиксировала не превращение материи в энергию, а пропорциональность энергии другому физическому свойству - массе.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Введение

2. Причины возникновения теорий относительности эйнштейна
3. Теория относительности А Эйнштейна
Заключение
Список литературы

Введение

Достижения современной науки свидетельствуют о предпочтительности реляционного подхода к пониманию пространства и времени. В этом плане в первую очередь надо выделить достижения физики XX века. Создание теории относительности было тем значительным шагом в понимании природы пространства и времени, который позволяет углубить, уточнить, конкретизировать философские представления о пространстве и времени.

Альберт Эйнштейн, физик-теоретик, один из основателей современной физики, родился в Германии, с 1893 года жил в Швейцарии, с 1914 г. в Германии, в 1933 г. эмигрировал в США. Создание им теории относительности стало самым фундаментальным открытием XX в., оказавшим огромное влияние на всю картину мира,

По мнению современных исследователей, теория относительности ликвидировала всеобщее время и оставила только локальное время, которое детерминируется интенсивностью полей тяготения и скоростью движения материальных объектов. Эйнштейн сформулировал принципиально новые и важные в методологическом отношении положения, которые помогли лучше осознать особенности пространства и времени в различных сферах объективной реальности.

1. Материя, пространство, время

Если сказать, что под материей понимается внешний мир, существующий независимо от нашего сознания, то многие согласятся с таким подходом. Он коррелируется и с представлениями на уровне здравого смысла. И в отличие от некоторых философов, которым казалось несерьезным рассуждать на уровне обыденного мышления, материалисты принимают эту "естественную установку" в качестве основы своих теоретических построений.

Но, соглашаясь с таким предварительным пониманием материи, принимая его как нечто само собой разумеющееся, люди не испытывают чувство удивления и восхищения его глубоким смыслом, богатством методологических возможностей, которые открываются в его содержании. Оценить его значение нам поможет небольшой исторический анализ предшествующих концепций материи, понимания сущности этой категории.

Ограниченность материализма XVIII в. в понимании материи выражалась прежде всего в абсолютизации достигнутых научных знаний, попытках "наделить" материю физическими характеристиками. Так, в трудах П. Гольбаха наряду с самым общим пониманием материи как мира, воспринимаемого с помощью органов чувств, говорится о том, что материя обладает такими абсолютными свойствами, как масса, инерция, непроницаемость, способность иметь фигуру Гольбах П. Система природы // Избранные произведения: в 2-х т. Т. 1. -- М.,1983.-- С. 59--67. .

Это значит, что главным принципом материальности признавалась вещественность, телесность окружающих человека предметов. Однако при таком подходе за пределами материальности оказывались такие физические явления, как электричество и магнитное поле, которые явно не обладали способностью иметь фигуру.

Существовало и понимание материи как субстанции, что особенно характерно для философии Б. Спинозы. "Субстанция - это не мир, окружающий человека, а нечто, стоящее за этим миром, обусловливающее его существование" Спиноза Б. Краткий трактат о Боге, человеке и его счастье // Избранные произведения: в 2-х т. Т. 1. -- М., 1987. -- С. 82 - 83. . Субстанция обладает такими атрибутами, как протяжение и мышление. При этом оставалось, однако, непонятно, как связана единая, вечная, неизменная субстанция с миром изменяющихся вещей. Это давало повод для иронических метафор, сопоставления субстанции с вешалкой, на которую навешиваются различные свойства, оставляя ее неизменной.

Ограниченность понимания материи в его обоих вариантах отчетливо обнаружилась в XIX в. Обычно главной причиной, вызвавшей необходимость перехода к новому пониманию материи как философской категории, называют кризис методологических оснований физики на рубеже XIX и XX вв.

Как известно, наиболее значительным достижением философии марксизма было открытие материалистического понимания истории. Общественное бытие, согласно этой теории, определяет общественное сознание. Однако экономические отношения лишь в конечном счете определяют функционирование и развитие общества; общественное сознание, идеология относительно самостоятельны и также влияют на социальное развитие. Этим марксистская теория отличается от "экономического детерминизма".

В марксистской теории как бы расширяются границы материальности, к которой относятся не только сами предметы с их вещественностью и телесностью, но также свойства и отношения (не только огонь, но и свойство теплоты, не только сами люди, но и их производственные отношения и т.д.). Именно в этом состоит вклад марксизма в понимание материи, который до сих пор недостаточно исследован.

Понимание материи как объективной реальности, существующей независимо от человека и не тождественной совокупности его ощущений, способствовало преодолению созерцательности предшествующей философии. Это вызвано анализом роли практики в процессе познания, которая позволяет выделять новые предметы и их свойства, включенные на данном этапе исторического развития в объективную реальность.

Особенность такого понимания материи состоит в том, что материальными признаются не только телесные предметы, но также свойства и отношения этих предметов. Стоимость материальна, потому что это количество общественно необходимого труда, затраченного на производство продукта. Признание материальности производственных отношений послужило основой материалистического понимания истории и исследования объективных законов функционирования и развития общества.

Можно попытаться найти определенные границы применения таких категорий, как "бытие" и "материя". Во-первых, бытие более широкая категория, так как она охватывает не только объективную, но и субъективную реальность. Во-вторых, бытие и материя могут использоваться для разграничения сущего и существующего (являющегося). Тогда существующее может быть представлено как объективная реальность, осознанная человеком в процессе его деятельности.

В современной методологии научного познания важное место занимают такие понятия, как "физическая реальность", "биологическая реальность", "социальная реальность". Речь идет об объективной реальности, которая становится доступной человеку в определенной сфере его деятельности и на определенном этапе исторического развития.

Философское осмысление мира обычно начинается с разграничения материального и идеального. Но для более полной характеристики изучаемых объектов нужны и другие категории. Среди них важное место занимают категории "движения" и "покоя".

Марксистская философия, опираясь на лучшие традиции предшествующих мыслителей, признает, что весь мир находится в состоянии непрерывного движения, которое внутренне присуще материальным объектам и не нуждается для своего существования во вмешательстве божественных сил, в первотолчке. Движение понимается как философская категория для обозначения любого изменения, начиная от простого перемещения и кончая мышлением. Мир - не совокупность законченных вещей, а совокупность процессов.

Основа социальной формы движения - целесообразная деятельность людей, и прежде всего, по Марксу, "способ производства материальных благ" Маркс К. , Энгельс Ф. Собрание сочинений. Т. 19. -- С. 377. . Человек выступает как объект и субъект истории. В конечном счете история - это деятельность людей, преследующих свои интересы.

Пространство и время как самостоятельные категории появляются уже в философии Древнего Востока, где они рассматриваются наряду с такими первоначалами, как огонь, вода, земля (санкхья). У Аристотеля среди девяти основных категорий называются время, место, положение. В философии Древней Греции начинают складываться основные концепции пространства и времени: субстанциональная и реляционная. Первая рассматривает пространство и время как самостоятельные сущности, первоначала мира; вторая - как способ существования материальных объектов. Такое понимание пространства и времени находит наиболее яркое выражение в философии Аристотеля и Лукреция Кара Асмус В. Ф. Античная философия. 3-е изд. М., 2001. .

В философии Нового времени основой субстанциональной концепции были положения И. Ньютона об абсолютном пространстве и времени. Он утверждал, что абсолютное пространство по своей сущности безотносительно к чему-нибудь внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным. Абсолютное время рассматривалось как чистая длительность. Основанием для таких утверждений был опыт классической физики, математические исследования (в частности, геометрия Евклида).

2. Причины возникновения теории относительности эйнштейна

Как же возникла частная (специальная) теория относительности Эйнштейна, сузившая исследование глобального явления до ограниченной, частной относительности, до относительности некоторых базовых понятий, до частного принципа относительности? Почему она вообще возникла и упала на благодатную почву общественного восприятия?

Нельзя не заметить объективные причины появления работ по теории относительности. Они обусловлены "разогретым, революционным" политическим состоянием общества и стихийно, динамично развивающимся естествознанием второй половины XIX - начала XX веков. В то время наука, во многих своих сферах, систематично отвергала один за другим многие стереотипы - общепринятые тогда эталоны представлений, что наложило отпечаток на методологический нигилизм теории относительности в целом.

В значительной степени, на появление теории относительности повлияли авторитетная и ныне философия Иммануила Канта, признанное, наконец, к тому времени учение о бесконечности, а также некоторые математические труды, например неевклидовы геометрии Лобачевского (1792-1856) и Римана (1826-1866), представления о времени Минковского и Пуанкаре. Вышеприведенные причины и как следствие, появившиеся теории относительности Эйнштейна объединяет общее отсутствие методологии познания, объединяет то, что они не противоречиво, но своеобразно трактуют (или не трактуют вообще) базовые, системно образующие их теории понятия и не применяют общенаучных принципов познания. Почему они посмели это сделать? Потому, что эти понятия и принципы были по естественной незрелости науки, методологически не определены их предшественниками. А применение бурно развивающихся к тому времени технологий "обработки понятий познания" (методов логики, математики, физики и т.д.) позволило получать весьма оригинальные итоговые выводы на выходе.

Древнегреческий учёный Птолемей, а затем и Иммануил Кант постулировали зависимость реальности от самого познания. Объект, по Канту, существует как таковой лишь в формах деятельности субъекта. До сих пор, методология познания применяет принцип Канта и Птолемея: "Что вижу то и суть". Приходит на ум притча о четырёх слепцах-мудрецах, которые ощупывали слона. Причём каждый ощупывал слона сугубо в определённых местах: один только ногу, другой только живот, третий хобот, четвёртый хвост. А затем они утверждали в разнобой об "истинности" и "правдивости" познанного ими облика слона. Фактически в подходе к познанию Канта и Птолемея: "Что вижу то и суть", реализован именно такой субъективный подход к познанию и отвергнута возможность объективного познания в сравнении с общепринятыми эталонами - принципами познания Мотрошилова Н.В. Рождение и развитие философских идей: Историко-философские очерки и портреты. М., 1991. .

Понятие бесконечности не определено в общенаучном понятии до сих пор. Это не познаваемое в принципе в величине безотносительное понятие, не имеющее эталона, а значит относительной сравнительной величины.

По этой причине, Минковский определил собственное видение понятия "время". При построении своих "метрических пространств", он ввел понятие синонимичное понятию времени - "плоскость мирового проявляющего процесса", которая "бежит" со скоростью света от произвольно выбранного любого "начала координат". Базисное понятие времени, "подогнали" под имеющийся на вооружении геометрический техпроцесс познания. А современные учёные теперь интенсивно ищут пути и способы путешествий в пространстве-времени.

Симбиоз теорий Минковского и Римана породил четырёхмерную абстрактную интерпретацию пространства - времени, имеющую весьма ограниченную практическую применимость. Например, её нельзя применять для моделирования реальных физических, изменяющихся объектов природы, как функций от изменяющихся их свойств (параметров).

Пространство-время - это интерпретация пространства выхолощенных от размерности событий, имеющих только свойства: пространственные координаты мест возникновения и моменты времени возникновения событий. Свойства пространства и времени несоразмерны друг другу, ибо от изменения одного, причинно-следственно другое не меняется, не зависит. Получается пространство событий, лишённых физической сущности - природы (размерности).

Основанием специальной теории относительности Эйнштейн посчитал сформулированный им принцип относительности, якобы не противоречащий принципу относительности Галилея. Отсутствие в научном арсенале Эйнштейна методологически сформированных понятий "время" и "одновременность", с учётом принятия постулата о глобальном постоянстве скорости света, позволило Эйнштейну "достичь" в специальной теории относительности одновременности событий в различных точках пространства при помощи посылаемых от одного источника к двум объектам световых сигналов, синхронизирующих часы этих объектов, формирующих одинаковую временную шкалу.

По мнению Эйнштейна, формирующих время на часах этих объектов и придав затем объектам различную скорость, он преобразованием Лоренца, математически строго обосновывает, что время в движущихся с различными скоростями объектах течёт по-разному. Что само по себе не только математически но и физически очевидно. Часы в случае такого способа познания "времени", при такой синхронизации будут идти по-разному, ибо шкала времени перестаёт быть единой эталонной для обеих часов "убегающих" по-разному от световых синхроимпульсов шкал времени объектов. А если эталоны шкал разные, то и отношения любой продолжительности любого процесса на объекте к разным эталонам продолжительности будет разное. Системы то познания времени не инерциальные. Если от синхроимпульсов "летящих" со скоростью света "убегать"со скоростью света, то такие часы на объекте вообще остановятся. Эйнштейн пошёл в своём обобщении и выводах намного дальше. Он "кардинально революционно" утверждает, что и длины объектов изменятся и биологические процессы (например, старение в "парадоксе близнецов") будут протекать по-разному в объектах (близнецах), которые двигаются относительно друг друга и относительно источника света с различными скоростями. Фактически Эйнштейн как бы "теоретически обосновал" принцип познания: "Величина свойств познаваемого объекта (например, свойств характеризующих старение, или продолжительность процессов на объекте, или его длины) причинно-следственно зависит от "линейки", от способа, которым эта величина измеряется (познаётся)" Эйнштейн А. Физика и реальность: Собр. научн. тр. Т. 4. - М., 1967. .

3. Теория относительности А. Эйнштейна

Самым фундаментальным открытием XX в., оказавшим огромное влияние на всю картину мира, стало создание теории относительности.

В 1905 г. молодой и никому не известный физик-теоретик Альберт Эйнштейн (1879-1955) опубликовал в специальном физическом журнале статью под неброским заголовком "К электродинамике движущихся тел". В этой статье была изложена так называемая частная теория относительности.

По существу, это было новое представление о пространстве и времени, и соответственно ему была разработана новая механика. Старая, классическая физика вполне соответствовала практике, имевшей дело с макротелами, движущимися с не очень-то большими скоростями. И только исследования электромагнитных волн, полей и связанных с ними других видов материи заставили по-новому взглянуть на законы классической механики.

Опыты Майкельсона и теоретические работы Лоренца послужили базой для нового видения мира физических явлений. Это касается в первую очередь пространства и времени, фундаментальных понятий, определяющих построение всей картины мира. Эйнштейн показал, что введенные Ньютоном абстракции абсолютного пространства и абсолютного времени должны быть оставлены и заменены другими. Прежде всего, нужно отметить, что характеристики пространства и времени будут по-разному выступать в системах неподвижных и движущихся относительно друг друга.

Так, если измерить на Земле ракету и установить, что ее длина составляет, к примеру, 40 метров, а затем с Земли определить размер той же ракеты, но движущейся с большой скоростью относительно Земли, то окажется, что результат будет меньше 40 метров. А если измерить время, текущее на Земле и на ракете, то окажется, что показания часов будут разными. На движущейся с большой скоростью ракете время, по отношению к земному, будет протекать медленнее, и тем медленнее, чем выше скорость ракеты, чем больше она будет приближаться к скорости света. Отсюда следуют некоторые отношения, которые с нашей обычной практической точки зрения являются парадоксальными.

Таков так называемый парадокс близнецов. Представим себе братьев-близнецов, один из которых становится космонавтом и отправляется в длительное космическое путешествие, другой остается на Земле. Проходит время. Космический корабль возвращается. И между братьями происходит примерно такая беседа: "Здравствуй, - говорит остававшийся на Земле, - рад тебя видеть, но почему ты почти совсем не изменился, почему ты такой молодой, ведь с того момента, когда ты улетал, прошло тридцать лет". "Здравствуй, - отвечает космонавт, - и я рад тебя видеть, но почему ты так постарел, ведь я летал всего пять лет". Итак, по земным часам прошло тридцать лет, а по часам космонавтов только пять. Значит, время не течет одинаково во всей Вселенной, его изменения зависят от взаимодействия движущихся систем. Это один из главных выводов теории относительности.

Это совершенно неожиданный для здравого смысла вывод. Получается, что ракета, которая имела на старте некоторую фиксированную длину, при движении со скоростью, близкой к скорости света, должна стать короче. Вместе с тем в этой же ракете замедлились бы и ход часов, и пульс космонавта, и его мозговые ритмы, обмен веществ в клетках его тела, то есть время в такой ракете протекало бы медленнее, чем время у наблюдателя, оставшегося на месте старта. Это, конечно, противоречит нашим обыденным представлениям, которые формировались в опыте относительно малых скоростей и поэтому недостаточны для понимания процессов, которые развертываются с околосветовыми скоростями.

Теория относительности обнаружила еще одну существенную сторону пространственно-временных отношений материального мира. Она выявила глубокую связь между пространством и временем, показав, что в природе существует единое пространство-время, а отдельно пространство и отдельно время выступают как его своеобразные проекции, на которые оно по-разному расщепляется в зависимости от характера движения тел.

Абстрагирующая способность человеческого мышления разделяет пространство и время, полагая их отдельно друг от друга. Но для описания и понимания мира необходима их совместность, что легко установить, анализируя даже ситуации повседневной жизни. В самом деле, чтобы описать какое-либо событие, недостаточно определить только место, где оно происходило, важно еще указать время, когда оно происходило.

До создания теории относительности считалось, что объективность пространственно-временного описания гарантируется только тогда, когда при переходе от одной системы отсчета к другой сохраняются отдельно пространственные и отдельно временные интервалы. Теория относительности обобщила это положение. В зависимости от характера движения систем отсчета друг относительно друга происходят различные расщепления единого пространства-времени на отдельно пространственный и отдельно временной интервалы, но происходят таким образом, что изменение одного как бы компенсирует изменение другого Эйнштейн А. Физика и реальность: Собр. научн. тр. Т. 4. - М., 1967. . Если, например, сократился пространственный интервал, то настолько же увеличился временной, и наоборот.

Получается, что расщепление на пространство и время, которое происходит по-разному при различных скоростях движения, осуществляется так, что пространственно-временной интервал, то есть совместное пространство-время (расстояние между двумя близлежащими точками пространства и времени), всегда сохраняется, или, выражаясь научным языком, остается инвариантом. Объективность пространственно-временного события не зависит от того, из какой системы отсчета и с какой скоростью двигаясь наблюдатель его характеризует. Пространственные и временные свойства объектов порознь оказываются изменчивыми при изменении скорости движения объектов, но пространственно-временные интервалы остаются инвариантными. Тем самым специальная теория относительности раскрыла внутреннюю связь между собой пространства и времени как форм бытия материи. С другой стороны, поскольку само изменение пространственных и временных интервалов зависит от характера движения тела, то выяснилось, что пространство и время определяются состояниями движущейся материи. Они таковы, какова движущаяся материя.

Таким образом, философские выводы из специальной теории относительности свидетельствуют в пользу реляционного рассмотрения пространства и времени: хотя пространство и время объективны, их свойства зависят от характера движения материи, связаны с движущейся материей.

Идеи специальной теории относительности получили дальнейшее развитие и конкретизацию в общей теории относительности, которая была создана Эйнштейном в 1916 году. В этой теории было показано, что геометрия пространства-времени определяется характером поля тяготения, которое, в свою очередь, определено взаимным расположением тяготеющих масс. Вблизи больших тяготеющих масс происходит искривление пространства (его отклонение от евклидовой метрики) и замедление хода времени. Если мы зададим геометрию пространства-времени, то тем самым автоматически задается характер поля тяготения, и наоборот: если задан определенный характер поля тяготения, расположения тяготеющих масс относительно друг друга, то автоматически задается характер пространства-времени. Здесь пространство, время, материя и движение оказываются органично сплавленными между собой.

Особенность созданной Эйнштейном теории относительности в том, что в ней исследуется движение объектов со скоростью, приближающейся к скорости света (300 000 км в секунду).

В специальной теории относительности утверждается, что с приближением скорости движения объекта к скорости движения света "временные интервалы замедляются, а длина объекта сокращается" Кассирер Э. Теория относительности Эйнштейна. Пер. с нем. Изд. второе, 2009. .

Общая теория относительности утверждает, что вблизи больших полей тяготения время замедляется, а пространство искривляется. В сильном поле тяготения кратчайшим расстоянием между точками будет уже не прямая, а геофизическая кривая, соответствующая кривизне гравитационных силовых линий. В таком пространстве сумма углов треугольника будет больше или меньше 180°, что описывается неевклидовыми геометриями Н. Лобачевского и Б. Римана. Искривление светового луча в поле тяготения Солнца было проверено английскими учеными уже в 1919 г. во время солнечного затмения.

Если в специальной теории относительности связь пространства и времени с материальными факторами выражалась лишь в зависимости от их движения при абстрагировании от влияния гравитации, то в общей теории относительности раскрывалась их детерминированность структурой, характером материальных объектов (вещество и электромагнитное поле). Выяснилось, что гравитация влияет на электромагнитное излучение. В гравитации была найдена связующая нить между космическими объектами, основа упорядоченности в Космосе, сделан общий вывод о структуре мира как сферическом образовании.

Теорию Эйнштейна нельзя рассматривать как опровержение теории Ньютона. Между ними существует преемственность. Принципы классической механики сохраняют свое значение и в релятивистской механике в пределах малых скоростей. Поэтому некоторые исследователи (например, Луи де Бройль) утверждают, что теория относительности в определенном смысле может рассматриваться как венец именно классической физики.

Заключение

Специальная теория относительности, построение которой было завершено А. Эйнштейном в 1905 году, доказала, что в реальном физическом мире пространственные и временные интервалы меняются при переходе от одной системы отсчета к другой.

Система отсчета в физике - это образ реальной физической лаборатории, снабженной часами и линейками, то есть инструментарием, с помощью которого можно измерять пространственные и временные характеристики тел. Старая физика считала, что если системы отсчета движутся равномерно и прямолинейно относительно друг друга (такое движение называется инерциальным), то пространственные интервалы (расстояние между двумя близлежащими точками) и временные интервалы (длительность между двумя событиями) не меняются.

Теория относительности эти представления опровергла, вернее, показала их ограниченную применимость. Оказалось, что только тогда, когда скорости движения малы по отношению к скорости света, можно приблизительно считать, что размеры тел и ход времени остаются одними и теми же, но когда речь идет о движениях со скоростями, близкими к скорости света, то изменение пространственных и временных интервалов становится заметным. При увеличении относительной скорости движения системы отсчета пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются.

Список литературы

1. Алексеев П.В., Панин А.В. Философия: Учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2003. - 608 с.

2. Асмус В.Ф. Античная философия. 3-е изд. М., 2001.

3. Гольбах П. Система природы // Избранные произведения: в 2-х т. Т.1. - М., 1983. - С.59-67.

4. Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени. М., 1998.

5. Кассирер Э. Теория относительности Эйнштейна. Пер. с нем. Изд. Второе, 2008.144 с.

6. Кузнецов В.Г., Кузнецова И.Д., Миронов В.В., Момджян К.Х. Философия: Учебник. - М.: ИНФРА-М, 2004. - 519 с.

7. Маркс К., Энгельс Ф. Собрание сочинений. Т. 19. - С.377.

8. Мотрошилова Н.В. Рождение и развитие философских идей: Историко-философские очерки и портреты. М., 1991.

9. Спиноза Б. Краткий трактат о Боге, человеке и его счастье // Избранные произведения: в 2-х т. Т.1. - М., 1987. - С.82 - 83.

10. Философия: Учебник / Под ред. проф. В.Н. Лавриненко. - 2-е изд., испр. и доп. - M.: Юристъ. 2004

11. Философия: Учебник / Под ред. проф. О.А. Митрошенкова. - М.: Гардарики, 2002. - 655 с.

12. Эйнштейн А. Физика и реальность: Собр. научн. тр. Т.4. - М., 1967.

Подобные документы

Методологическая и мировоззренческая основы субстанциональной и реляционной концепций пространства и времени. Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна. Специфика пространственно-временных свойств в природе и социальных процессах.

контрольная работа , добавлен 06.02.2014

Основные субстанции бытия и взгляды философов разных времен. Сущность концепции о формах движения материи Ф. Энгельса. Основное философское значение теории относительности. Изменение физической картины мира. Движение как сущность времени и пространства.

контрольная работа , добавлен 20.09.2015

Диалектическое понимание движения материи. Основы концепций пространства и времени. Философское значение специальной теории относительности. Изменчивость и устойчивость как одна из пар противоположностей, определяющих движение. Формы движения материи.

контрольная работа , добавлен 21.03.2011

Проблема истинности или ложности теории относительности Эйнштейна, ее философские аспекты. Философская проблема, заключающаяся в адекватном реальности определении таких понятий как "время", "пространство", "движение", "покой". Эйнштейновская абстракция.

статья , добавлен 07.02.2009

Пространство и время как основные формы существования материи, их современное понимание и проблема относительности. Сравнительная характеристика, принципиальные отличия субстанциального и реляционного подхода к отношению пространства и времени к материи.

реферат , добавлен 12.01.2011

Принципы классификации форм движения. Основные формы движения. Онтологические основы бытия. Свойства и принципы движения в пространстве и времени. Философское значение теории относительности. Источники саморазвития каждой формы движения материи.

контрольная работа , добавлен 08.08.2011

Субстанция как объективная реальность. Идея субстанции в античной философии. Рационалистические воззрения Декарта о субстанции с позиций дуализма. Гносеологическое осмысление понятия "субстанция". Философское понимание материи, система ее организации.

контрольная работа , добавлен 18.08.2009

История развития науки. Появление мировоззренческих задач, геометрии у древних египтян и шумерской астрономии. Формирование философии. Принцип всеобщей относительности Эйнштейна. Воздействие науки на мировосприятие и ее роль в современном обществе.

эссе , добавлен 13.01.2014

Исследование развития взглядов на субстанцию в истории философии. Философское понимание материи. Диалектико-материалистическое учение о субстанции. Система философского материализма. Материальная и идеальная субстанция. Соотношение материи и сознания.

реферат , добавлен 01.12.2014

Критерии научного знания в античной натурфилософии: систематизированность, непротиворечивость и обоснованность знания. Взаимосвязь пространства, времени и материи с позиций специальной и общей теории относительности. Управление процессами самоорганизации.

Реферат
по философии
.
1. Общие положения теории относительности

Чтобы увидеть значение теории относительности Эйнштейна для
эволюции физической мысли, следует прежде всего остановиться на
самых общих понятиях относительности положения и движения тел и
однородности пространства и времени. В теории Эйншиейна фигуриру-
ет однородность и изотропность пространства-времени.
Представим себе материальную частицу, затерянную в бесконеч-
ном, абсолютно пустом пространстве. Что в этом случае означают
слова "пространственное положение" частицы? Соответствует ли этим
словам какое-либо реальное свойство частицы?
Если бы в пространстве существовали другие тела, мы могли бы
определить по отношению к ним положение данной частицы, но если
пространство пусто, положение данной частицы оказывается бессо-
держательным понятием. Пространственное положение имеет физичес-
кий смысл только в том случае, когда в пространстве имеются иные
тела, служащие телами отсчета. Если брать в качестве тел отсчета
разные тела, мы придем к различным определениям пространственного
положения данной частицы. С любым телом мы можем связать некото-
рую систему отсчета, например систему прямоугольных координат.
Такие системы равноправны: в какой бы системе отсчета мы ни опре-
деляли положение точек, из которых состоит данное тело, размеры и
форма тела будут одними и теми же, и, измеряя расстояния между
точками, мы не найдем критерия, чтобы отличить одну систему отс-
чета от другой. Мы можем поместить начало координат в любой точке
пространства, мы можем затем перенести это начало в любую другую
точку, либо повернуть оси, либо сделать и то и другое - форма и
размеры тела при таком переносе и повороте не изменятся, так как
не изменится расстояние между любыми двумя фиксированными точками
этого тела. Неизменность этого расстояния при переходе от одной
системы отсчета к другой называют 1 инвариантностью 0 по отношению к
указанному переходу. Мы говорим, что расстояния между точками те-
ла являются 1 инвариантами 0 при переходе от одной прямоугольной сис-
темы координат другой, с иным началом и иным направлением осей.
Расстояния между точками тела служат инвариантами таких коорди-
натных преобразований. В инвариантности расстояний между точками
относительно переноса начала координат выражается однородность
пространства, равноправность всех его точек относительно начала
координат.
Если точки пространства равноправны, то мы не можем опреде-
лить пространственное положение тела абсолютным образом, мы не
можем найти привилегированную систему отсчета. Когда мы говорим о
положении тела, т.е. о координатах его точек, то необходимо ука-
зывать систему отсчета. "Пространственное положение" в этом смыс-
ле является относительным понятием - совокупностью величин, кото-
рые меняются при переходе от одной системы координат к другой
системе, в отличие от расстояний между точками, которые не меня-
ются при указанном переходе.
Однородность пространства выражается, далее, в том, что сво-
бодное тело, переходя из одного места в другое, сохраняет одну и
ту же скорость и соответственно сохраняет приобретенный им им-
пульс. Каждое изменение скорости и, соответственно, импульса, мы
объясняем не тем, что тело передвинулось в пространстве, а взаи-
модействием тел. Изменение импульса данного тела мы относим за
счет некоторого силового поля, в котором оказалось рассматривае-
мое тело.
Нам известна также однородность времени. Она выражается в
сохранении энергии. Если с течением времени не меняется воздейс-
твие, испытываемое данным телом со стороны других тел, иными сло-
вами, если иные тела действуют неизменным образом на данное тело,
то энергия его сохраняется. Мы относим изменение энергии тела за
счет изменения во времени действующих на него сил, а не за счет
самого времени. Время само по себе не меняет энергии системы, и в
этом смысле все мгновения равноправны. Мы не можем найти во вре-
мени привилегированного мгновения, также как не можем найти в
пространстве точку, отличающуюся от других точек по поведению по-
павшей в эту точку частицы. Поскольку все мгновения равноправны,
мы можем отсчитывать время от любого мгновения, объявив его на-
чальным. Рассматривая течение событий, мы убеждаемся, что они
протекают неизменным образом, независимо от выбора начального мо-
мента, начала отсчета времени.
Мы могли бы сказать, что время относительно в том смысле,
что при переходе от одного начала отсчета времени к другому опи-
сание событий остается справедливым и не требует пересмотра. Од-
нако обычно под относительностью времени понимают нечто иное. В
простом и очевидном смысле независимости течения событий от выбо-
ра начального момента относительность времени не могла бы стать
основой новой теории, совсем не очевидной, опрокидывающей обычное
представление о времени.
Под относительностью времени мы будем понимать зависимость
течения времени от выбора пространственной системы отсчета. Соот-
ветственно абсолютным временем называется время, не зависящее от
выбора пространственной системы координат, протекающее единооб-
разно на всех движущихся одна относительно другой системах отсче-
та, - последовательность моментов, наступающих одновременно во
всех точках пространства. В классической физике существовало
представление о потоке времени, который не зависит от реальных
движений тела, - о времени, которое течет во всей Вселенной с од-
ной и той же быстротой. Какой реальный процесс лежит в основе по-
добного представления об абсолютном времени, о мгновении, однов-
ременно наступающем в отдаленных пунктах пространства?
Вспомним условия отождествления времени в разных точках
пространства.
Время события, происшедшего в точке а 41 0, и время события,
происшелшего в точке а 42 0 можно отождествить, если события связаны
мгновенным воздействием одного события на другое. Пусть в точке
а 41 0 находится твердое тело, соединенное абсолютно жестким, совер-
шенно недеформирующимся стержнем с телом, находящимся в точке а 42 0.
Толчок, полученный телом в точке а 41 0, мгновенно, с бесконечной
скоростью, передается через стержень телу в точке 4 0а 42 0. Оба тела
сдвинутся в одно и то же мгновение. Но все дело в том, что в при-
роде нет абсолютно жестких стержней, нет мгновенных действий од-
ного тела на другое. Взаимодействия тел передаются с конечной
скоростью, никогда не превышающей скорости света. В стержне, сое-
диняющем тела, при толчке возникает деформация, которая распрост-
раняется с конечной скоростью от одного конца стержня к другому,
подобно тому, как световой сигнал идет с конечной скоростью от
источника света к экрану. В природе нет мгновенных физических
процессов, соединяющих события, происшедшие в удаленных один от
другого пунктах пространства. Понятие "один и тот же момент вре-
мени" имеет абсолютный смысл, пока мы не сталкиваемся с медленны-
ми движениями тел и можем приписать бесконечную скорость светово-
му сигналу, толчку, переданному через твердый стержень или любому
другому взаимодействию движущихся тел. В мире быстрых движений,
при сравнении с которыми распространению света и взаимодействию
между телами уже нельзя приписывать бесконечно большую скорость,
- в этом мире понятие одновременности имеет относительный смысл,
и мы должны отказаться от привычного образа единого времени, те-
кущего во всей Вселенной, - последовательности одних и тех же,
одновременных, моментов в различных пунктах пространства.
Классическая физика исходит из подобного образа. Она допус-
кает, что одно и то же мгновенно наступает повсюду - на Земле, на
Солнце, на Сириусе, на внегалактических туманностях, отстоящих от
нас так далеко, что их свет идет к нам миллиарды лет.
Если бы взаимодействия тел (например силы тяготения, связы-
вающие все тела природы) распространялись мгновенно, с бесконеч-
ной скоростью, мы могли бы говорить о совпадении момента, когда
одно тело начинает воздействовать на другое, и момента, когда
второе тело, удаленное от первого, испытывает это воздействие.
Назовем воздействие тела на удаленное от него другое тело сигна-
лом. Мгновенная передача сигнала - основа отождествления момен-
тов, наступивших в отдаленных пунктах пространства. Такое отож-
дествление можно представить в виде синхронизации часов. Задача
состоит в том,чтобы часы в в точке а 41 и в точке а 42 показывали
одно и то же время. Если существуют мгновенные сигналы, эта зада-
ча не составляет труда. Часы можно было бы синхронизировать по
радио, световым сигналом, выстрелом из пушки, механическим им-
пульсом (посадить,например,стрелки часов в а 41 и в а 42 на один
длинный абсолютно жесткий вал), если бы радиоприемник, свет, звук
и механические напряжения в вале передавались с бесконечно боль-
шой скоростью. В этом случае мы могли бы говорить о чисто прост-
ранственных связях в природе, о процессах, протекающих в нулевой
промежуток времени. Соответственно трехмерная геометрия имела бы
реальные физические прообразы. Пространство в этом случае мы бы
могли рассматривать вне времени, и такой взгляд давал бы точное
представление о действительности. Временные мгновенные сигналы
служат прямым физическим эквивалентом трехмерной геометрии. Мы
видим, что трехмерная геометрия находит прямой прообраз в класси-
ческой механике, которая включает представление о бесконечной
скорости сигналов, о мгновенном распространении взаимодействий
между отдаленными телами. Классическая механика допускает, что
существуют реальные физические процессы, которые могут быть с аб-
солютной точностью описаны мгновенной фотографией. Мгновенная фо-
тография, разумеется стереоскопическая - это как бы трехмерное
пространственное сечение пространственно-временного мира, это че-
тырехмерный мир событий, взятый в один и тот же момент. Бесконеч-
но быстрое взаимодействие - процесс, который может быть описан в
пределах мгновенной временной картины мира.
Но теория поля как реальной физической среды исключает мгно-
венное ньютоново дальнодействие и мгновенное распространение сиг-
налов через промежуточную среду. Не только звук, но и свет, и ра-
диосигналы имеют конечную скорость. Скорость света - предельная
скорость сигналов.
Каков же в этом случае физический смысл одновременности? Что
соответствует последовательности одних и тех же для всей Вселен-
ной моментов? Что соответствует понятию единого времени, единооб-
разно протекающего во всем мире?
Мы можем найти некоторый физический смысл понятия одновре-
менности и таким образом придать самостоятельную реальность чисто
пространственному аспекту бытия, с одной стороны, и абсолютному
времени - с другой, даже в том случае, когда все взаимодействия
распространяются с конечной скоростью. Но условием для этого слу-
жит существование неподвижного в целом мирового эфира и возмож-
ность определить скорости движущихся тел абсолютным образом, от-
нося их к эфиру как единому привилегированному телу отсчета.
Представим себе корабль с экранами на носу и на корме. в
центре корабля на равных расстояниях от обоих экранов зажигают
фонарь. Свет фонаря одновременно достигает экранов, и мгновения,
когда это происходит можно отождествить. Свет падает на экран,
находящийся на носу корабля в то же самое мгновение, что и на эк-
ран, находящийся на корме. Таким образом, мы находим физический
прообраз одновременности.
Синхронизация с помощью световых сигналов, одновременно при-
бывающих в два пункта из источника, расположенного на равном
расстоянии от них, возможна, если источник света и указанные два
пункта покоятся в мировом эфире, т.е. когда корабль неподвижен по
отношению к эфиру. Синхронизация возможна и в том случае, когда
корабль движется в эфире. В указанном случае свет дойдет до экра-
на на носу корабля немного позже, а до экрана на корме - немного
раньше. Но, зная скорость корабля относительно эфира, мы можем
определить опережение луча, идущего к экрану на корме и запазды-
вание луча, идущего к экрану на носу, и, учитывая указанные опе-
режение и запаздывание, синхронизировать часы, установленные на
корме и на носу корабля. Мы можем, далее, синхронизировать часы
на двух кораблях, движущихся относительно эфира с различными, но
постоянными, известными нам скоростями. Но для этого также необ-
ходимо, чтобы скорость кораблей относительно эфира имела опреде-
ленный смысл и определенное значение.
Здесь возможны два случая. Если корабль при движении пол-
ностью увлекает за собой эфир, находящийся между фонарем и экра-
нами, то не произойдет запаздывания луча, идущего к экрану на но-
су корабля. При полном увлечении эфира, корабль не смещается от-
носительно эфира, находящегося над его палубой, а скорость света
относительно корабля не будет зависеть от движения корабля. Тем
не менее, мы сможем зарегистрировать зарегистрировать движение
корабля с помощью оптических эффектов. По отношению к кораблю
скорость света не изменится, но она изменится по отношению к бе-
регу. Пусть корабль движется вдоль набережной: на набережной -
два экран а 41 и а 42,причем расстояние между ними равно расстоянию
между экранами на корабле. Когда экраны на движущемся корабле
оказались против экранов на набережной, в центре корабля зажига-
ется фонарь. Если корабль увлекает за собой эфир, то свет фонаря
дойдет одновременно до экрана на корме и до экрана на носу, но в
этом случае свет дойдет в различные моменты до экранов на непод-
вижной набережной. В одном направлении скорость движения корабля
относительно набережной будет прибавляться к скорости света, а в
другом направлении скорость движения корабля нужно будет вычесть
из скорости света. Такой результат - различные скорости света от-
носительно берега - получится, если корабль увлекает эфир. Если
же корабль не увлекает эфир, то свет будет двигаться с одной и
той же скоростью относительно берега и с различной скоростью от-
носительно корабля. Таким образом, изменение скорости света ока-
жется результатом движения корабля в обоих случаях. Если корабль
движется, увлекая эфир, то меняется скорость относительно берега;
если же корабль не увлекает эфир, то меняется скорость света от-
носительно самого корабля.
В середине XIX века техника оптических экспериментов и изме-
рений позволила уловить очень небольшие различия в скорости све-
та. Оказалось возможным проверить, увлекают движущиеся тела эфир,
или не увлекают. В 1851 г. Физо (1819 - 1896) доказал6 что тела
не увлекают полностью эфир. Скорость света, отнесенная к непод-
вижным телам, не меняется, когда свет проходит через движущиеся
среды. Физо пропускал луч света через неподвижную трубку, по ко-
торой текла вода. По существу вода играла роль корабля, а трубка
- неподвижного берега. Результат опыта Физо привел к картине дви-
жения тел в неподвижном эфире без увлечения эфира. Скорость этого
движения можно определить по запаздыванию луча, догоняющего тело
(например, луча направленного к экрану на носу движущегося кораб-
ля), по сравнению с лучом, идущим навстречу телу (например, по
сравнению с лучом фонаря, направленным к экрану на корме). Тем
самым можно было, как казалось тогда, отличить тело, неподвижное
относительно эфира, от тела, движущегося в эфире. В первом ско-
рость света одна и та же во всех направлениях, во втором на меня-
ется в зависимости от направления луча. Существует абсолютное
различие между покоем и движением, они отличаются друг от друга
характером оптических процессов в покоющихся и движущихся средах.
Подобная точка зрения позволяла говорить об абсолютной од-
новременности событий и о возможности абсолютной синхронизации
часов. Световые сигналы достигают точек, расположенных на одном и
том же расстоянии от неподвижного источника, в одно и то же мгно-
вение. Если же источник света и экраны движутся относительно эфи-
ра, то мы можем определить и учесть запаздывание светового сигна-
ла, вызванное этим движением, и считать одним и тем же мгновением
1) момент попадания света на передний экран с поправкой на запаз-
дывание и 2) момент попадания света на задний экран с поправкой
на опережение. Различие в скорости распространения света будет
свидетельствовать о движении источника света и экранов по отноше-
нию к эфиру - абсолютному телу отсчета.
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, экспери-
мент Майкельсона соответствовал сравнению скорости сигналов, иду-
щих к экранам на корме и на носу движущегося корабля, но в ка-
честве корабля была использована сама Земля, движущаяся в прост-
ранстве со скоростью около 30 км/сек. Далее, сравнивали не ско-
рость луча, догоняющего тело и луча, идущего навстречу телу, а
скорость распространения света в продольном и поперечном направ-
лениях. В инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так назы-
ваемом 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 продемонстри-
ровать зависимость скорости света в приборе от движения Земли.
Результаты эксперимента Майкельсона оказались отрицательны-
ми. 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 сложе-
ния скоростей. Скорость света одна и та же во всех телах, движу-
щихся 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, 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 движении сна-
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
соответствовать некоторые коренные технические культурные сдвиги.
Как бы то ни было, дело было сделано. В науку были пущены
идеи, которым предстояло революционизировать учение о космосе и
микромире, учение о движении и энергии, представление о прост-
ранстве и времени, а впоследствии стать основой атомной энергети-
ки. Эти идеи стали жить своей жизнью.
В 1907-1908 гг. Герман Миньковский (1864 - 1908) придал тео-
рии относительности весьма стройную и важную для последующего
обобщения геометрическую форму. В статье "Принцип относительнос-
ти" (1907) и в докладе "Пространство и время" (1908) теория Эйн-
штейна была сформулирована в виде учения об инвариантах четырех-
мерной евклидовой геометрии. У нас нет сейчас ни возможности, ни
необходимости давать сколько-нибудь строгое определение инвариан-
та и присоединить что-нибудь новое к тому, что уже было о нем
сказано. Понятие многомерного пространства, в частности четырех-
мерного пространства, также не требует здесь строгого определе-
ния; можно ограничиться самыми краткими пояснениями.
Ранее уже говорилось, что положение точки на плоскости может
быть задано двумя числами, измеряющими длины перпендикуляров,
опущенных на оси некоторой координатной системы. Если перейти к
иной системе отсчета, координаты каждой точки изменятся,но расс-
тояние между точками при таком координатном преобразовании не
изменятся. Инвариантность расстояний при координатных преобразо-
ваниях 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 инвари-
антов 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 рав-
ноценность точек пространства называется его однородностью. В
сохранении формы тел и соблюдении неизменных законов их взаимо-
действия при преобразованиях выражается однородность пространс-
тва. Однако при очень больших скоростях, близких к скорости све-
та, 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 отсче-
та к другой, движцщейся относительно первой. Неизменной при таком
переходе остается другая величина, к которой мы и перейдем.
Миньковский сформулировал постоянство скорости света следую-
щим образом.
При координатном преобразовании остается неизменным расстоя-
ние между двумя точками, например путь, пройденный движущейся
частицей. Чтобы вычислить это расстояние - путь, пройденный час-
тицей, - нужно взять квадраты приращений трех координат, т.е.
квадраты разностей между новыми и старыми значениями координат.
Согласно соотношениям геометрии Евклида, сумма этих трех квадра-
тов будет равна квадрату расстояния между точками.
Теперь мы прибавим к трем приращениям пространственных коор-
динат приращение времени - время, прошедшее от момента пребывания
частицы в первой точке до момента пребывания ее во второй точке.
Эту четвертую величину мы также берем в квадрате. Нам ничто не
мешает назвать сумму четырех квадратов квадратом "расстояния", но
уже не трехмерного, а четырехмерного. При этом речь идет не о
расстоянии между пространственными точками, а об интервале между
пребыванием частицы в определенный момент в одной точке и и пре-
быванием частицы в другой момент в другой точке. Точка смещается
и в пространстве и во времени. Из постоянства скорости света вы-
текает, как показал Миньковский, что при определенных условиях
(время нужно измерять особыми единицами) четырехмерный пространс-
твенно-временной интервал будет неизменным, в какой бы системе
отсчета мы ни измеряли положения точек и время пребывания частицы
в этих точках.
Само по себе четырехмерное представление движения частицы
может быть легко усвоено, оно кажется почти очевидным и, в сущ-
ности привычным. Всем известно, что реальные события определяются
четырьмя числами: тремя пространственными координатами и време-
нем, прошедшим до события с начала летосчисления, или с начала
года, или от начала суток. Будем откладывать на листе бумаги по
горизонтальной прямой место какого-либо события - расстояние это-
го места от начального пункта, например расстояние до точки, дос-
тигнутой поездом, от станции отправления. По вертикальной оси от-
ложим время, когда поезд достиг этой точки, измеряя его с начала
суток или с момента выхода поезда со станции отправления. Тогда
мы получим график движения поезда в двумерном пространстве, на
географической карте, лежащей на столе, а время показывать верти-
калями над картой. Тогда мы не обойдемся чертежом, пнадобится
трехмерная модель, например проволока, укрепленная над картой.
Она будет трехмерным графиком движения: высота проволоки в каждой
точке над лежащей картой будет изображать время, а на самой карте
проекция проволоки изобразит движение поезда по местности.
Изобразим теперь не только перемещение поезда на плоскости,
но и его подъемы и спуски, т.е. его движение в трехмерном прост-
ранстве. Тогда вертикали уже не могут изобразить время, они будут
означать высоту поезда над уровнем моря. Где е откладывать время
- четвертое измерение? Четырехмерный график нельзя построить и
даже нельзя представить себе. Но математика уже давно умеет нахо-
дить подобные геометрические величины, пользуясь аналитическим
методом, производя вычисления. В формулы и вычисления наряду с
тремя пространственными измерениями можно ввести четвертое - вре-
мя и, отказавшись от наглядности, создать таким образом четырех-
мерную геометрию.
Если бы существовала мгновенная передача импульсов и вообще
сигналов, то мы могли бы говорить о двух событиях, происшедших
одновременно, т.е. отличающихся только пространственными коорди-
натами. Связь между событиями была бы физическим прообразом чисто
пространственных трехмерных геометрических соотношений. Но, как
уже говорилось, Эйнштейн в 1905 г. отказался от понятий абсолют-
ной одновременности и абсолютного, независимого от течения време-
ни. Теория Эйнштейна исходит из ограниченности и относительности
трехмерного, чисто пространственного представления о мире и вво-
дит более точное пространственно-временное представление. С точки
зрения теории относительности в картине мира должны фигурировать
четыре координаты и ей должна соответствовать четырехмерная гео-
метрия.
В 1908 г. Миньковский представил теорию относительности в
форме четырехмерной геометрии. Он назвал пребывание частицы в
точке, определенной четырьмя координатами, "событием", так как
под событием в механике следует понимать нечто определенное в
пространстве и во времени - пребывание частицы в определенной
пространственной точке в определенный момент. Далее он назвал со-
вокупность событий - пространственно-временное многообразие -
"миром", так как действительный мир развертывается в пространстве
и во времени. Линию, изображающую движение частицы, т.е. четырех-
мерную линию,каждая точка которой определяется четырьмя координа-
тами, Миньковский назвал "мировой линией".
Длина отрезка "мировой линии" инвариантна при переходе от
одной системы отсчета к другой, прямолинейно и равномерно движу-
щейся по отношению к первой. В этом и состоит исходное утвержде-
ние теории относительности, из него можно получить все ее соотно-
шения.
Следует подчеркнуть, что геометрические соотношения, с по-
мощью которых Миньковский изложил теорию относительности, подчи-
няются Евклидовой геометрии. Мы можем получить соотношения теории
относительности, предположив, что четырехмерное "расстояние" вы-
ражается таким же образом через четыре разности - три разности
пространственных координат и время, прошедшее между событиями, -
как и трехмерное расстояние выражается в евклидовой геометрии че-
рез разности пространственных координат. Для этого, как уже гово-
рилось, необходимо только выразить время в особых единицах. Длина
отрезка мировой линии определяется по правилам евклидовой геомет-
рии, только не трехмерной, а четырехмерной. Ее квадрат равен сум-
ме четырех квадратов приращений пространственных координат и вре-
мени. Иными словами, это - геометрическая сумма приращений четы-
рех координат, из которых три - пространственные, а четвертая -
время, измеренное особыми единицами. Мы можем назвать теорию от-
носительности учением об инвариантах четырехмерной евклидовой ге-
ометрии. Поскольку время измеряется особыми единицами, то говорят
о псевдоевклидовой четырехмерной геометрии.
Сумма квадратов четырех приращений - квадрат четырехмерного
расстояния между событиями, квадрат длины отрезка мировой линии -
не меняется при переходе от системы K к движущейся по отношению к
ней системе K". Четырехмерное "расстояние"является инвариантом
преобразований четырехмерной геометрии, соответствующих переходу
от одной системы отсчета K к другой системе K", движущейся отно-
сительно первой прямолинейно и равномерно. Инвариантность следует
из неизменности скорости света при переходе от K к K".
В этой инвариантности выражается однородность четырехмерного
мира. Выше говорилось, что в инвариантности длины трехмерного от-
резка при переносе начала координат выражается однородность трех-
мерного пространства. Теперь мы можем инвариантность четырехмер-
ного отрезка мировой линии рассматривать как45 выражение однород-
ности и изотропности четырехмерного пространства-времени.
Однородность пространства выражается в сохранении импульса,
а однородность времени - в сохранении энергии. Можно ожидать, что
в четырехмерной формулировке закон сохранении импульса и закон
сохранения энергии сливаются в один закон сохранения энергии и
импульса. Действительно, в теории относительности фигурирует та-
кой объединенный закон импульса.
Однородность пространства-времени означает, что в природе
нет выделенных пространственно-временных мировых точек. Нет собы-
тия, которое было бы абсолютным началом четырехмерной, пространс-
твенно-временной системы отсчета. В свете идей, изложенных Эйн-
штейном в 1905 г., четырехмерное расстояние между мировыми точка-
ми, т.е. пространственно-временной интервал не будет меняться при
совместном переносе этих точек вдоль мировой линии. Это значит,
что пространственно-временная связь двух событий не зависит от
того, какая мировая точка выбрана в качестве начала отсчета, и
что любая мировая точка может играть роль подобного начала.
Однородность пространства стала исходной идеей науки после
того, как Галилей и Декарт, сформулировав принцип инерции и прин-
цип сохранения импульса, показали, что в мировом пространстве нет
выделенной точки - начала привилегированной системы отсчета, что
расстояния между телами и их взаимодействия не зависят от движе-
ния состоящей из этих тел материальной системы. Однородность вре-
мени стала исходной идеей науки после того, как физика XIX века,
сформулировав принцип сохранения энергии, показала независимость
процессов природы от их смещения во времени и отсутствие абсолют-
ного начала отсчета времени. Теперь исходной идеей науки стано-
вится однородность пространства-времени.
Таким образом, идея однородности является стержневой идеей
науки XVII-XX вв. Она последовательно обобщается, переносится с
пространства на время, и далее, на пространство-время.
В отличие от известной классической физике однородности
пространства и времени, взятых порознь, однородность пространс-
тва-времени была бы нарушена, если бы в некоторой области проис-
ходила мгновенная передача сигнала. Примером могла бы служить аб-
солютно твердая частица, целиком заполняющая занятый ею объем
пространства и неспособная к деформации. Через занятое такой час-
тицей пространство импульс передавался бы мгновенно, и мы, таким
образом, столкнулись бы с физическим эквивалентом трехмерной гео-
метрии, с пространством, существующим независимо от времени.
В 1911-1916 гг. Эйнштейн создал общую теорию относительнос-
ти. Теория, созданная в 1905 г., называется специальной теорией
относительности, так как она справедлива лишь для специального
случая, прямолинейного и равномерного движения. Распространение
света, как и вообще, все механические и электродинамические про-
цессы, протекает неизменным образом, если перейти от покоящейся
системы K к к системе K", движущейся по отношению к К прямолиней-
но и равномерно. Поэтому, не выходя за пределы движущейся системы
нельзя зарегистрировать ее прямолинейное и равномерное движение,
ни механическим, ни оптическими (электродинамическими) опытами. В
системе, движущейся прямолинейно и равномерно, движение не вызы-
вает внутренних эффектов. В поезде, движущемся без ускорения, не
происходит ничего, что продемонстрировало бы пассажирам его дви-
жение. Это движение имеет относительный смысл, поезд движется от-
носительно Земли и находящихся на Земле неподвижных предметов. С
тем же правом можно сказать, что Земля движется относительно по-
езда; нельзя найти такие явления в поезде, которые указывают на
неравноценность этих двух утверждений. Иное дело - ускоренное
движение. В связи с ньютоновым понятием абсолютного движения уже
говорилось, что пассажир убеждается в ускорении поезда, ощущая
толчок, вызванный силой инерции и направленный назад, когда поезд
набирает скорость, и вперед, когда машинист начинает торможение и
поезд теряет скорость. Таким образом, ускоренное движение создает
внутренние эффекты в движущейся системе.
В этом случае уже как будто нельзя говорить о равномерности
движущихся систем. Если движение поезда относить к Земле, т.е.
считать Землю неподвижной, то ускорение поезда приводит к толчку;
если же считать неподвижным поезд и считать, что поверхность Зем-
ли с ускорением движется относительно поезда, то находящийся в
поезде пассажир не почувствует толчка. Таким образом, фраза "по-
езд движется относительно Земли" и фраза "Земля движется относи-
тельно поезда" в случае ускоренного движения имеют различный фи-
зический смысл: они описывают различные ситуации, сопровождающие-
ся различными эффектами. Поэтому принцип относительности применим
лишь к равномерному и прямолинейному движению, движению по инер-
ции. Ускоренное движение не подчинено этому принципу, в силу чего
теория относительности, выдвинутая Эйнштейном в 1905 г., и назы-
вается специальной теорией относительности.
Долгие годы у Эйнштейна созревала мысль о подчинении уско-
ренного движения принципу относительности и создании общей теории
относительности, рассматривающей не только инерционные, но и все-
возможные движения. Является ли толчок при ускорении или замедле-
нии поезда, иными словами - сила инерции, действующая на пассажи-
ра, абсолютным признаком движения? Не может ли возникнуть в не-
подвижном поезде сила, которую нельзя отличить от силы инерции?
Сила инерции действует единообразно на все предметы, находя-
щиеся в поезде. Когда локомотив придаст поезду резкое ускорение,
все находящиеся в поезде предметы с одним и тем же ускорением,
обязанным силе инерции, будут стремиться в сторону, противополож-
ную движению поезда.Существует сила, которая также действует еди-
нообразно на все тела. Это - сила тяжести.
Если бы дорога имела очень крутые подъемы, мы не смогли бы
определить, что именно толкает назад пассажиров и их вещи - сила
тяжести, действующая на них, когда поезд, движущийся равномерно
по полотну дороги,поднимается в гору, или сила инерции, действую-
щая на поезд, испытывающий в этот момент ускорение на равнине.
Обе они действуют единообразно, поскольку инертная масса тела
пропорциональна его весу.
Эйнштейн говорил не о поезде, а о кабине лифта. Представим
себе, что кабина поднимается с ускорением вверх, причем сила тя-
жести в это время не действует на кабину.
Сила инерции будет толкать людей в сторону, противоположную
ускорению кабины, т.е. вниз, и будет прижимать подошвы людей к
полу кабины. Сила инерции толкнет по направлению к полу подвешен-
ные к потолку кабины грузы и потянет нити, на которых эти грузы
подвешены. Но является ли это доказательством ускоренного движе-
ния кабины? Нет, в неподвижной кабине, испытывающей действие зем-
ного тяготения, те же эффекты производятся силой тяжести.
Эйнштейн назвал принципом эквивалентности утверждение о рав-
ноценности силы тяжести, действующей на систему, и силы инерции,
проявляющейся при ускоренном движении. Этот принцип позволяет
рассматривать ускоренное движение как относительное. В самом де-
ле, проявления ускоренного движения (силы инерции) ничем не отли-
чаются от сил тяжести в неподвижной системе. Значит, нет внутрен-
него критерия движения, и о движении можно судить лишь по отноше-
нию к внешни телам. Движение, в том числе ускоренное движение те-
ла A, состоит в изменении расстояния от некоторого тела отсчета
B, причем мы с тем же правом можем утверждать, что B движется от-
носительно A.
Но чтобы принцип эквивалентности позволил рассматривать ус-
коренное движение как относительное, необходима одна чрезвычайно
важная физическая предпосылка. Пусть кабину лифта пересекает све-
товой луч. Когда кабина поднимается, свет, попав в кабину через
боковое окошечко, достигает противоположной стены несколько ниже:
пока свет пересечет кабину, она уйдет вверх. Когда кабина непод-
вижна и находится в поле тяготения, подобный эффект будет иметь
место, если тяготение действует и на свет, т.е. если свет облада-
ет тяжелой массой.
Этот вывод был очень важным моментом в развитии теории отно-
сительности. Математические расчеты и условные картины привели к
заключению, которое могло быть проверено экспериментом. В истории
физики известен опыт "взвешивания света" - наблюдение искривления
светового луча вблизи Солнца. Задолго до этой проверки Эйнштейну
пришлось решить другую теоретическую проблему.
Дело в том, что действующие на систему тяготение и ускорение
системы вызывает один и тот же эффект только тогда, когда силы
тяжести увлекают тела в одном и том же направлении, по параллель-
ным линиям. Но лишь в очень малых областях направления силы тя-
жести можно считать параллельными. В больших областях силы тяжес-
ти действуют по различным направлениям, и это создает существен-
ное различие между эффектом тяжести и эффектом ускорения системы.
Вернемся к кабине лифта. При ее ускоренном подъеме нити, натяну-
тые подвешенными грузами, будут параллельны. Тяжесть же натянет
их по направлениям, строго говоря, не параллельным, а пересекаю-
щимся в центре Земли. В кабине лифта этим различием можно пренеб-
речь. Но если бы кабина лифта имела в поперечнике несколько сотен
километров, различие стало бы заметным. Тем самым была бы наруше-
на эквивалентность тяготения и ускорения и мы получили бы абсо-
лютный критерий ускоренного движения в виде параллельного движе-
ния нитей.
Как же распространить принцип относительности на ускоренные
движения в больших областях? В поисках ответа на этот вопрос Эйн-
штейн пришел к идее, которая резко отличается по своему характеру
от классических идей. Она отличается от них не только по содержа-
нию, по физическому смыслу, по лежащему в ее основе представлению
о мире.Общая теория относительности открыла собой новую полосу в
истории науки еще и потому, что она изменила соотношение между
геометрическими и собственно физическими построениями. Раньше, до
Эйнштейна, эти построения не сливались в единую теорию. Под гео-
метрией когда-то подразумевали совокупность раз навсегда данных
абсолютно бесспорных и непоколебимых теорем, выводимых из аксиом
и постулатов, сформулированных в древности Евклидом. Потом узнали
о возможности иных, неевклидовых геометрий, допускающих неравенс-
тво суммы углов треугольника двум прямым углам, пересечение пер-
пендикуляров, восстановленных из двух точек на одной и той же
прямой, расхождение перпендикуляров к одной и той же прямой и
другие соотношения, противоречащие евклидовой геометрии. Уже Ло-
бачевский, как мы знаем, предполагал, что физические процессы в
пространстве могут придать ему неевклидовы геометрические свойс-
тва.
Эйнштейн отождествил тяготение, искривляющее мировые линии
движущихся тел, с искривлением пространства-времени. Эта идея
всегда будет образцом смелости и глубины физической мысли и вмес-
те с тем образцом нового характера научного мышления, находящего
реальные физические эквиваленты евклидовых и неевклидовых геомет-
рических соотношений.
Тело, предоставленное самому себе, движется по прямой в
трехмерном пространстве. Оно движется по прямой в четырехмерном
пространственно-временном мире, так как на графике "пространс-
тво-время" каждый сдвиг по оси времени (каждое приращение време-
ни) сопровождается одним и тем же приращением пройденного прост-
ранственного расстояния. Таким образом, движениям по инерции со-
ответствуют прямые мировые линии, т.е. прямые четырехмерного
пространства-времени. ускоренным движениям соответствуют кривые
мировые линиичетырехмерного пространственно-временного мира.
Тяготение сообщает телам одно и то же ускорение. Оно сообща-
ет такое же ускорение и свету. Следовательно, тяготение искривля-
ет мировые линии. Если бы прямые, начерченные на плоскости, вдруг
оказались кривыми, причем обрели бы одну и ту же кривизну, мы
предположили бы, что плоскость искривилась, стала искривленной
поверхностью, например поверхностью шара.Быть может, тяготение,
единообразно искривляющее мировые линии, означает, что пространс-
тво-время в данной мировой точке (в данном пространственном пунк-
те и в данный момент времени) приобрело определенную кривизну.
Изменение сил тяготения, изменение интенсивности и направления
тяжести, можно тогда рассматривать как изменение кривизны прост-
ранства-времени.
Кривизна линии не требует пояснения. Кривизна поверхности
также вполне наглядное представление. Мы знаем, что на кривой по-
верхности, например поверхности земного шара, теоремы евклидовой
геометрии на плоскости перестают быть справедливыми. Вместо пря-
мых кратчайшими линиями становятся иные геодезические линии, нап-
ример в случае поверхности шара дуги большого круга: чтобы чтобы
проехать кратчайшим путем с севера на юг, нужно двигаться по дуге
меридиана. На геодезическую линию, заменяющую собой прямую, из
одной точки можно опустить множество различных перпендикуляров,
например из полюса на экватор. Мы не можем себе представить наг-
лядно кривизну трехмерного пространства. Но мы можем назвать кри-
визной отступление трехмерного мира от геометрии Евклида. То же
самое мы можем сделать с четырехмерным многообразием.
Повторим исходные положения общей теории относительности.
В каждой точке, находящейся в поле действия сил тяготения
какой-либо большой массы, например Солнца, все тела падают с оди-
наковым ускорением, и не только тела, но и свет также приобретает
ускорение, причем одно и то же ускорение, зависящее от массы
Солнца. В четырехмерной геометрии подобное ускорение может быть
представлено в виде пространственно-временного мира. Согласно об-
щей теории относительности, наличие тяжелых масс искривляет прос-
транственно-временной мир, и это искривление выражается в тяготе-
нии, изменяющем пути и скорости тел и световых лучей.
В 1919 году астрономические наблюдения подтвердили теорию
тяготения Эйнштейна - общую теорию относительности. Лучи звезд
искривляются, проходя мимо Солнца, и их отклонения от прямого пу-
ти оказались такими, какие были вычислены теоретически Эйнштейном.
Кривизна пространства-времени меняется в зависимости от
распределения тяжелых масс. Если отправиться в путь через Вселен-
ную, не меняя направления, т.е. следуя геодезическим линиям окру-
жающего пространства, то нам встретятся на пути четырехмерные
пригорки - гравитационные поля планет, горы - гравитационные поля
звезд, большие хребты - гравитационные поля галактик. Путешествуя
подобным образом по поверхности Земли, мы, помимо холмов и гор,
знаем о кривизне земной поверхности в целом и уверены, что, про-
должая путь в неизменном направлении, например вдоль экватора,
вернемся к месту, откуда выехали.
При путешествии во Вселенной мы также сталкиваемся с общей
кривизной пространства, которая так относится к гравитационным
полям планет, звезд и галактик, как кривизна Земли к рельефу ее
поверхности. Если бы искривлено не только пространство, но и вре-
мя, мы вернулись бы в результате космического путешествия в ис-
ходный пространственный путь и в исходное пространственное поло-
жение. Это невозможно. Эйнштейн предположил, что искривлено лишь
пространство.
В 1922 г. А.А.Фридман (1888-1925) выдвинул гипотезу об изме-
нении радиуса общей кривизны пространства с течением времени. Не-
которые астрономические наблюдения подтверждают эту гипотезу -
расстояния между галактиками увеличивается со временем, галактики
разбегаются. Однако космологические концепции, связанные с общей
теорией относительности, еще очень далеки от той определенности и
однозначности, которая свойственна специальной теории относитель-
ности.

Р Е Ф Е Р А Т

Философские аспекты теории относительности

Эйнштейна

Горинов Д.А.

Пермь 1998г.
Введение.