Файл: Станис Л.Я. Движение, пространство, время и теория относительности.pdf

случаем неевклидовых геометрий, как геометрия нулевой кривизны (рис. 7).

Создание неевклидовых геометрий уже в XIX веке привело к возникновению некоторых новых представле­ ний и гипотез. Все чаще стали подвергать сомнению

правомерность представлений о существовании абсолют­ ного прямолинейно-равномерного движения, а вместе с этим и стоящий за такими представлениями физический смысл ньютонова понятия абсолютного пространства. Было введено понятие инерциальных систем отсчета, не связанных с понятием абсолютного пространства евкли­ довой геометрии; как мы отмечали, подобные идеи в зародышевом виде содержались в некоторых представ­ лениях Галилея. Однако лишь с возникновением идей общей теории относительности неевклидовы геометрии получили физическое обоснование и свое дальнейшее развитие. Неевклидовы геометрии, с другой стороны, по­

98

служили важнейшей теоретической предпосылкой воз­ никновения идей общей теории относительности.

Через 11 лет после создания специальной теории от­ носительности, в 1916 году Эйнштейн обнародовал идеи общей теории относительности, в которых содержались еще более необычные для обыденного человеческого рас­ судка представления о пространственно-временной струк­ туре материального Мира.

Центральным в общей теории относительности яв­ ляется принцип эквивалентности, т. е. неразличимости инерционного и гравитационного полей.

Еще Галилей впервые показал, что все тела падают на Землю с одинаковым ускорением. До него считалось общепринятым другое. Казалось, что предметы разного веса должны падать с разным ускорением, тяжелые — с большим, легкие — с меньшим. По некоторым историче­ ским данным известно, что монахи, перед которыми вы­ ступал Галилей, не поверили всем его доводам и даже опыту. Настолько все казалось несоответствующим здра­ вому смыслу, что и опыт и теорию сочли за наваждение Дьявольщины. Факт, однако, вещь самая упрямая; в конце концов с ним пришлось считаться. Ученые по-раз­ ному объясняли его природу. Ньютон, например, рас­ сматривая движение тяжелого и легкого шаров под дей­ ствием силы тяготения, предположил, что на тяжелое ядро действует сила тяготения, во столько раз большая, во сколько раз его масса больше легкого шара. Вместе с тем благодаря инерции более тяжелый шар во столько же раз больше сопротивляется притяжению Земли, во сколько раз он тяжелее легкого. Словом, в физике этот закон выражается так: сила тяжести, действующая на тело, всегда пропорциональна инертной массе этого тела. Если предмет А втрое тяжелее предмета В, его инерция также втрое больше.

Эйнштейн объяснил численное равенство между инер­ цией и гравитацией на основе объективного единства их природы. Они неразличимы, потому что представляют собой проявление единого поля с разной локальной структурой. По своей сущности инерционное поле лишь особое, частное проявление гравитационного, отличается оно от последнего не более чем, например, центрально­

симметрическое поле точеч­ ной массы отличается от других форм гравитацион­ ных полей. Эйнштейн приво­ дит пример с лифтом (рис. 8). Представим себе, что лифт движется вверх с ус­ корением. Все тела, которые в нем находятся, будут при­ жиматься к полу с силой, возрастающей пропорцио­ нально ускорению. Если же ускорение будет постоян­ ным, то мы, например, ока­ завшись в лифте, чувствова­

ли бы себя так, как если бы находились на космическом теле с большей гравитационной массой, чем планета Земля. И, наоборот, если бы вдруг канат лифта оборвал­ ся, то мы в лифте некоторое время находились бы в со­ стоянии свободного падения, не ощущая силы тяжести. Гравитационное поле внутри лифта как бы исчезло. Сло­ вом, силы инерции, возникающие в системах, движущих­ ся с ускорением, всегда можно приравнять к соответст­ вующему полю тяготения. Оказывается теперь, что по внутреннему поведению тел в замкнутой материальной системе нельзя по наличию сил инерции определить, дви­ жется она с ускорением или покоится в соответствующем

100

поле тяготения. Принцип эквивалентности инерции и гравитации дал возможность распространить принцип относительности на любое состояние движения, на уско­ ренное, вращательное и т. п. До спх пор принцип отно­ сительности имел место лишь в прямолинейно и равно­ мерно движущихся системах, по внутреннему поведению тел в которых также нельзя установить, с какой ско­ ростью движется такая система в отношении к другим системам, движется ли она вообще или покоится. П а р а ­ м е т р ы д в и ж е н и я везде оказываются о т н о с и ­ т е л ь н ы м и . Если теперь силы инерции и силы тяготе­ ния рассматривать в качестве проявления единой приро­ ды гравитационного поля, то их количественное опреде­ ление, мера, степень также всякий раз будут относитель-

• ными, зависимыми от конкретного отношения движения и взаимодействия данной системы к другим гравитаци­ онным или инерционным системам. Силы инерции, воз­ никающие внутри системы, движущейся с ускорением, в классической механике рассматривались в качестве свидетельства существования абсолютных параметров движения в отношении к абсолютно привилегированной системе отсчета (к покоящейся или прямолинейно и равномерно движущейся). Теперь из любой области дви­ жения была изгнана всякая возможность устанавливать абсолютные параметры движения в отношении абсолют­ но привилегированной системы отсчета, за которой всег­ да скрывалась вера в существование некоего абсолютно­ го покоя.

Идея единства природы инерции и гравитации при­ вела к идее зависимости свойств пространства-времени от полей тяготения, которые искривляют пространствен­ но-временную структуру любых взаимодействий мате­ риальных систем и процессов, в том числе и электромаг­ нитных, световых. Евклидова геометрия в общей теории

101

относительности заменяется неевклидовой геометрией искривленного пространства-времени. «Наш мир не­ евклидов. Геометрическая природа его образована мас­ сами и их скоростями». Или: «Гравитационные уравне­ ния общей теории относительности стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира» '.

Специальная теория относительности оказалась те­ перь частным случаем более общей теории, а описывае­ мые ею устойчивые характеристики пространственновременной структуры материального движения из вели­ чин неизменных, инвариантных в ее рамках, в общей теории относительности превращаются в изменяющиеся, зависящие от полей тяготения. Логично предположить, что и общая теория относительности, которую сам Эйн­ штейн считал незавершенной, со временем превратится

вчастный случай еще более общей теории пространст­ венно-временной структуры материального движения. Исходя из этого гипотезу Эйнштейна о замыкающей себя

впространстве и бесконечной во времени Вселенной, выдвинутую на основе общей теории относительности, можно рассматривать как следствие того, что законы об­

щей теории относительности действуют лишь в ограни­

что в этих пределах законы, устанавливаемые теорией относительности, выражают всеобщую, устойчивую фор­ му бытия « на ше й Вселенной», ее метрические свойства как класс свойств, инвариантных относительно рассмот­ ренных видов движения. За метрическими свойствами

1 А. Э й н ш т е й н . Физика и реальность. М., 1965, стр. 313.

102

ность (объемность) пространства и одномерность (однонаправленность) времени, или, как это выражает­ ся в теории относительности, четырехмерность простран­ ства-времени и др. Если метрические свойства выражают закономерно упорядоченный, количественный аспект про­ странственно-временных взаимодействий, то топологиче­ ские свойства выражают качественный аспект простран­ ства-времени нашей Вселенной, которая противостоит чему-то другому, более грандиозному, внешним условиям своего существования, другим Вселенным, с другой, ве­ роятно, топологией, другими законами пространственновременных взаимодействий движущейся материи, о ко­ торых наука пока не может сказать ничего конкретного. Однако рассмотрение относительного покоя нашей Все­ ленной как момента абсолютного, безграничного и бес­ конечного состояния движения материи может послу­ жить некоторым дополнительным ключом к проникнове­

движения и взаимодействия в пределах той или иной материальной системы как форму отражения воздейст­ вия внешнего через внутреннее, изменчивого через устойчивое, бесконечного через конечное.

Для подхода к такой проблеме может оказаться по­ лезным соответствующий анализ того, каким образом внешние условия преломляются в характере внутренних взаимодействий уже известных нам устойчивых матери­ альных систем на различном уровне их организации.

Следует иметь в виду другие гипотезы о простран­ ственно-временной структуре Вселенной, развившиеся на основе возможных решений уравнений общей теории от­ носительности. Так, например, советский ученый Алек­ сандр Александрович Фридман еще в 1922 году пришел

103

к выводу о переменном типе Вселенной; «...для этого типа, — писал он, — возможны случаи, когда радиус кривизны мира, начиная с некоторого значения, посто­

Эйнштейн сомневался в их истинности. Семь лет спустя, однако, гипотеза о расширяющейся Вселенной была подтверждена астрономическими наблюдениями, когда Хаббл открыл явление красного смещения в спектре галактик, причем тем большее, чем дальше та или иная галактика находится от нас. Эйнштейн в результате при­ знал, что Фридман дал наиболее общую схему решения космологической проблемы 21.

Объективно гипотеза расширяющейся Вселенной как частный случай гипотезы пульсирующей Вселенной лиш­ ний раз приводила к диалектическому выводу о том, что Мир находится в постоянном изменении, в движении. Представители современной объективно-идеалистической философии неотомизма эти гипотезы неправомерно стре­ мятся подогнать под религиозные догмы о божественном сотворении Мира из ничего, о том, что Земля является центром Вселенной. А. А. Фридман, возражая сторонни­ кам подобных выводов, неоднократно подчеркивал мысль о том, что разговоры о «сотворении мира из ниче­ го» должно рассматривать как курьезные факты, не име­

104

вытекающие из общей теории относительности, сталки­ ваются с вопросом истолкования природы гравитации, потому что кривизна пространства-времени опреде­ ляется тяготеющими массами и гравитационными поля­ ми. У исследователей имеются разные точки зрения по вопросу связи пространства-времени и гравитации.

Одни рассматривают массу и поле гравитации в ка­ честве одного из материальных субстратов, который сво­ им состоянием движения и взаимодействия определяет свойства пространства-времени. Мнение наиболее рас­

пространенное.

Другие отождествляют гравитацию со структурой пространства-времени, с состоянием его кривизны, в первую очередь. Такой точки зрения придерживается, например, видный современный американский физик Дж. Уилер. Пространство-время в его геометродинамике по сути дела поглощает собою все многообразие материального мира. Тензор кривизны, по Уилеру, дает возможность создания геометродинамических аналогов массы, заряда и других свойств материи1.2

В последнее время в связи с трудностью решения ряда проблем физики микромира отдельными естествоиспыта­ телями и философами выдвигается гипотеза макроско­ пической природы пространства-времени, в которой отрицается объективный характер пространственно-вре­ менной формы существования микромира на уровне эле­

1 А. А. Ф р и д м а н . Мир как пространство и время. М., 1965,

стр. 102.

2 «Гравитация и относительность». Под ред. X. Цзю и В. Гофф­ мана. М., 1965, стр. 174.

105

ментарных частиц. Одним из ее сторонников является также видный современный физик Дж. Чу. Он, например, утверждает, что понятия пространства и времени играют в современной микрофизике роль, аналогичную роли эфира в макроскопической физике. Обосновываются по­ добные позиции определенным философским истолкова­ нием соотношения неопределенностей Гейзенберга, ко­ торое по своему существу лишь глубже раскрывает диа­ лектику связи необходимого и случайного, части и цело­ го, возможного и действительного на уровне взаимодей­ ствия элементарных частиц. Гипотеза же макроскопиче­ ской природы пространства и времени представляет ши­ рокое поле для разного рода идеалистических спекуляций независимо от субъективных намерений ее авторов.

Итак, сторонники одной точки зрения все многообра­ зие материального мира сводят к его пространственновременной структуре, сторонники другой лишают прост­ ранство-время его права на объективное существова­ ние в микромире. Несмотря на противоположный, казалось бы, подход, и та и другая позиция объективно ведут к некоторым общим философским выводам как онтологического, так и гносеологического порядка: к отрыву пространства и времени от движужейсд.-Махщжщ к~раздуванию субъективного, содержания в препстявлениях человека о Мире, по сути дела к его расчленению нЗ"ЖВ5щ1Г в~себе» и на «вещь для нас». То, как Мир существует «на самом деле», оказывается совершенно непохожим на то, как мы его воспринимаем.

Дело же, видимо, заключается в том, что современ­ ный уровень развития науки, в частности физики, приво­ дит к раскрытию более тем н ой изяимпз.авиг.иА<ш£.ти м р ж -ду. движущейся материей и ее пространственно-вррменной формШГ~сущёствования, единство материального мира п'блучйёГ' темсамым еще более глубокое обоснование в

106