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

циальные системы являются равноправными? От него пришлось бы отказаться, сохранив классический закон сложения скоростей. Или, наоборот, если сохранить принцип относительности для всех процессов, происхо­ дящих в инерциальных системах, в том числе и для све­ та, надо было бы отказаться от классического закона сложения скоростей. Для разрешения противоречия Эйнштейн выбрал последнее, все остальные по сути дела

выбирали первое.

Отказаться от того или другого принципов, веками признававшимися истинными и взаимозависимыми, было чрезвычайно трудно. Нужна была необыкновенная тео­ ретическая и философская проницательность, чтобы ре­ шить эту сложную задачу. Вот что натворил свет своим особенным, ни на что известное до сих пор не похожим поведением. Хотя ньютоново методологическое признание абсолютного пространства как абсолютной системы от­ счета всегда противоречило последовательному проведе­ нию принципа относительности, это никого особенно не беспокоило, поскольку абсолютное пространство и абсо­ лютная скорость предполагались существующими чисто теоретически, непосредственно же они нигде и никогда не фиксировались. Наоборот, практически механика все­ гда имела дело с относительным покоем и с относитель­ ными скоростями, поэтому и сосуществовали мирно два противоречащих и взаимоисключающих представления. Установление постоянства скорости света в отношении привилегированного и покоящегося тела отсчета — «эфи­ ра» меняло положение. Появилась, как казалось, экспе­

самым существование абсолютного покоя. Однако ре­

дежд, возлагавшихся на эфир и постоянство скорости света в нем, по установлению абсолютной скорости дви­ жения.

Никогда, пожалуй, в истории науки «отрицательный» опыт не был столь разрушительным и плодотворным одновременно, как в случае опыта Майкельсона. Именно его отрицательные результаты вполне положительно были оценены и объяснены при помощи теории относи­ тельности Эйнштейна, но лишь 24 года спустя, в 1905 го­ ду. Появилась знаменитая, очень небольшая по объему работа Эйнштейна под совершенно неприметным назва­ нием: «К электродинамике движущихся тел», где впер­ вые излагались идеи теории относительности, положив­ шие начало новому революционному перевороту в фи­ зике.

Эйнштейн самым последовательным образом распро­ странил-галилеев принцип относительности на электро­ магнитные процессы. Тем самым он перечеркнул все надежды, возлагавшиеся на мировой эфир и постоянство скорости света как на абсолютные системы отсчета для установления различий между абсолютной (в отноше­ нии мирового эфира) и относительной (в отношении друг друга) скоростями движения тел. Для этого Эйнштейну пришлось отказаться от абсолютной истинности галиле­ евых преобразований координат и классического прин­ ципа сложения скоростей, заменить их лоренцовыми преобразованиями координат и собственным принципом сложения скоростей, которые включали в себя галилеевы преобразования как предельный случай. Все это стало возможным благодаря коренному изменению классиче­ ских представлений о п р о с т р а н с т в е и в р е ме н и , их связи с м а т е р и а л ь н ы м д в и ж е н и е м , которые, как теперь выяснилось, носили весьма ограниченный, во многом антропоцентрический характер.

66

Релятивистская физика в других выражениях, с иной стороны, под другими, как говорят, парусами пришла к тому же берегу, что и Ф. Энгельс, который в «Диалек­ тике природы» о пространстве и времени писал: «Разу­ меется, обе эти формы существования материи без материи, суть ничто, пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове»1

1 Ф. Э н г е л ь с . Диалектика природы. М., 1948. стр. 189.

з*

5.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И НЕКОТОРЫЕ ФИЛОСОФСКИЕ ВЫВОДЫ

Прежде чем перейти к краткому изложению содержа­ ния теории относительности, для последующего сравне­ ния напомним сначала классический закон сложения скоростей и галилеевы преобразования координат, при­ бегая к наиболее простой их иллюстрации.

Представим себе поезд, движущийся прямолинейно и равномерно со скоростью 100 километров в час. Внутри одного из вагонов этого поезда вы, предположим, тоже идете со скоростью 5 километров в час. В зависимости от того, будете вы двигаться в направлении хода поезда или против него, ваша скорость относительно будки же­

законе сложения скоростей, когда v = V\±V2 , основаны следующие галилеевы преобразования координат.

Представим себе две инерциальные системы отсчета (рис. 4) хуг и х'у'г', из которых одна движется относи­ тельно другой со скоростью V. Обе они, конечно, могут находиться в состоянии инерциального движения к треть­ ей (как в случае с человеком, поездом и будкой).

Для простоты расчетов предположим, что их оси х и х' совпадают одна с другой, т. е. система х'у'г' своей осью х' как бы скользит по оси х. Если допустим также, что в начальный момент времени, когда ¿ = 0, начала обеих координат совпадали, мы сможем выразить дви­ жение любой точки в одной из этих координатных си­ стем через параметры ее движения в другой на основе следующих, введенных Галилеем, преобразований: х —

— х'— у = у', г = г'. К этим трем формулам необходи­

68

мо добавить четвертое положение. Течение времени t остается одинаковым как в первой, во второй, так и в любой другой инерциальной системе координат. Оно вез­ де воплощает некую абсолютную, ни к чему не относи­ мую однородную длительность. Секунда везде одинакова так же, как одинаковыми будут час, год, век и т. д. Син-

УУ'

хронизированные часы любых движущихся инерциально систем будут идти абсолютно одинаково, поэтому всегда можно будет определить, какие события происходят во всех этих системах одновременно, в тот или иной момент времени. О д н о в р е м е н н о с т ь в природе будет в та­ ком случае носить а б с о л ю т н ы й х а р а к т е р , безот­ носительный к чему бы то ни было.

Выводы, к которым привела теория относительности, оказались противоположны только что изложенному.

Обратимся для подтверждения к опыту. В отличие от предыдущего он может быть осуществлен пока как мыс­ ленный наглядный эксперимент, ибо техника еще весьма далека от того, чтобы предоставить человеку возмож­ ность экспериментировать с поездами или ракетами, дви­

жущимися со скоростями, сравнимыми со скоростью света.

И Галилей и Эйнштейн развивали свои принципы, ис­ кусно теоретически интерпретируя объективные опытные факты. Первый опирался на наблюдение и сравнительно простые наглядные факты, второй — на результаты спе­ циальных экспериментов, выходивших далеко за рамки обычных жизненных наблюдений. Галилей и Ньютон опе­ рировали движением макротел со сравнительно неболь­ шими скоростями. Диапазон скоростей у Эйнштейна неизмеримо шире. Он анализировал возможные состоя­ ния материального движения со скоростями порядка околосветовой и световой. В данном случае количество при­ водило к коренному качественному изменению как самих объективных процессов, так и к новому качественному содержанию понятий, описывающих эти процессы.

Для иллюстрации принципиально новых выводов об­ ратимся к краткому пересказу, который приводится в очень популярной, небольшой и вместе с тем глубокой брошюре Л. Д. Ландау и Ю. Б. Румера под названием «Что такое теория относительности». Мысленно авторы оперируют так называемым поездом Эйнштейна очень больших размеров, который может достигать огромных скоростей. Предварительно напомним два постулата, т. е. два исходных положения, которые Эйнштейн берет за

основу.

1. Из принципа относительности следует, что гово­ рить о скорости прямолинейного и равномерного движе­

такого соотнесения по внутреннему поведению тел в си­ стеме никакой скорости не зафиксируешь, потому что во всех системах, движущихся инерциально, движение тел

70

происходит по одним и тем же законам. Только движе­ ние системы с ускорением, замедлением или изменением направления движения вызывает соответствующие внут­ ренние эффекты, внутренние силы инерции, по которым всегда можно измерить степень изменения скорости, но опять-таки не саму скорость.

2. Распространение света в «пустоте» в отличие от всех других движений обладает тем особенным свойст­ вом, что его нельзя ни замедлить, ни ускорить; вместе с тем скорость света оказывается в с е г д а о д и н а к о в о й во всех системах отсчета, в любых направлениях. Она не зависит от движения ни источника, ни приемника света.

независима от относительных скоростей движущихся си­ стем, она безотносительна к чему бы то ни было друго­

инерциальных системах предельной скоростью распро­ странения любых взаимодействий. В нашем мире не мо­ жет быть скорости распространения материальных взаи­ модействий больше, чем скорость света в «пустоте». Бесконечная скорость, мгновенное распространение взаимодействий полностью исключатся теорией относи­ тельности из возможностей природы. П р е д е л ь н а я скорость распространения взаимодействий, равная ско­ рости света в вакууме, рассматривается в теории отно­ сительности как у н и в е р с а л ь н ы й з а к о н п р и р о ­ ды, который опирается не только на опыты Майкельсо-

по измерению лучевых скоростей небесных тел и др. Мы