Файл: Семенчев, В. М. Физические знания и законы диалектики научное издание.pdf

можных теорий имеются, однако, теории, которые наиболее близки к физической реальности, во всяком случае, лучше приспособлены к интуиции физика и более пригодны содействовать его усилиям». Если эта точка зрения верна, то именно эта философская склонность его ума к «номиналистскому удобству» помешала Пуанкаре понять значение идеи относитель­ ности во всей ее грандиозности!» 1

Теперь остается ответить на вопрос, как были най­ дены новые формы выражения физических законов, т. е. каким образом было получено еще одно возмож­ ное согласование опыта и теории, которое поставило под сомнение старое согласование?

Здесь опять прежде всего обращает на себя вни­ мание развитие теории на основе ее внутренней логи­ ки при использовании минимального количества дан­ ных опыта. Как уже было сказано, А. Эйнштейн в своем главном предположении о наличии единой для всех систем формы выражения законов исходил из общей логики развития физических законов. В статье 1916 г. Эйнштейн следующим образом сформулиро­ вал это предположение: «Законы физики должны быть составлены так, чтобы они были действительны

физических законов А. Эйнштейн обратил внимание на один полученный в опыте факт, которому до того в науке не придавалось особого значения: пропорци­ ональность инертной и гравитационной масс тела. Не вызывает сомнения, что анализ этого факта был свя­ зан у автора теории относительности с рассмотрени­ ем мысленного эксперимента с лифтом, на который

1 Л. де Бройль. По тропам науки, стр. 306—307.

2 А. Эйнштейн. Основы общей теории относительности. — «Принцип относительности». Л., 1935, стр. 235.

51

он ссылается в статьях, посвященных данному вопро­ су. На это указывает и Б. Г. Кузнецов: «Задолго до строгой математической формулировки принципа эк­

сящую в шахте, расположенной на поверхности Зем­ ли. В кабине лифта находятся люди, которые про­ изводят различные физические опыты: бросают пред­ меты, взвешивают на пружинных весах различные грузы и т. п. Они замечают, что при свободном па­ дении предметов возникает ускорение g и пружина весов растягивается пропорционально той же вели­ чине g (для простоты допускается, что в кабине лиф­ та и в шахте безвоздушное пространство). Предста­ вим далее, что канат, на котором был подвешен лифт, оборвался и лифт начал свободно падать вниз под действием гравитационного поля Земли. Во вре­ мя этого падения люди, находящиеся в лифте, про­ должают проводить эксперименты. Что в этом случае они обнаружат? Носовой платок и часы, выпущен­ ные из рук, остаются на том же месте по отношению к экспериментатору, где они были в момент разжатия руки. Если их теперь подтолкнуть, то они будут дви­ гаться прямолинейно и равномерно до столкновения с полом, потолком или одной из стен лифта. Пружин­ ные весы зарегистрируют отсутствие веса у грузов, т. е. отсутствие силы тяжести Земли. Таким образом, в данном случае все эффекты, которые вызывались в неподвижно подвешенном лифте силами тяготения

Земли, как бы исчезли, свелись на нет свободным па­ дением лифта.1

1 Т- Кузнецов. Развитие физических идей от Галилея до Динштеина в свете современной науки, стр. 358.

52

Теперь представим себе тот же самый лифт, но находящийся вне действия сил земного тяготения. В таком лифте все опыты, которые могут произвести наблюдатели, находящиеся внутри лифта, дадут точ­ но ту же картину, как и в лифте, свободно падающем в поле тяготения Земли. И в первом, и во втором случае все тела окажутся в состоянии невесомости. Но стоит лифту придать движение с ускорением в направлении от пола к потолку, как картина непо­ движно подвешенного лифта начнет восстанавливать­ ся и количественно станет идентична с ней при уско­ рении, равном g. Предметы начнут падать на пол с ускорением g и пружинные весы вновь покажут тот же вес тел.

Обращают на себя внимание следующие два важ­ нейших обстоятельства, выявленных в мысленном эксперименте А. Эйнштейна. Во-первых, свободное падение с укорением g ликвидирует гравитационные эффекты, а движение в обратном направлении с тем же ускорением g их восстанавливает. Во-вторых, лик­ видация поля тяготения вызывает эффекты, харак­ терные для свободного падения, а наличие поля тя­ готения вызывает те же эффекты, что и ускоренное движение системы. Таким образом, силы инерции, возникающие вследствие движения материальной си­ стемы, могут рассматриваться как силы тяготения, действующие на неподвижную материальную систе­ му, а силы тяготения, действующие на неподвижную материальную систему, могут рассматриваться как силы инерции, возникающие вследствие ускоренного движения системы. А. Эйнштейн назвал констата­ цию такого факта принципом эквивалентности тяго­ тения (гравитации) и ускорения (инерции) и на его основе пришел к выводу о возможности рассматри­ вать некоторые явления в материальных системах, движущихся с укорением, и в инерциальных системах

53

инертной масс тел (опыты Л. Этвеша).

Теперь можно поставить такой вопрос. Если спра­ ведлив принцип эквивалентности гравитации и инер­ ции (эквивалентности гравитационной и инертной масс), то можно ли считать очевидным, что все фи­ зические законы имеют одну и ту же форму выраже­ ния в системах инерциальных и системах, двигаю­ щихся относительно первых с ускорением? На этот вопрос следует ответить отрицательно. Эквивалент­ ность гравитации и ускорения доказана ведь только относительно механических явлений. Но существуют физические явления (электромагнетизм, например), которые как будто с принципами эквивалентности не связаны. Отсюда вытекает вполне закономерное до­ пущение, что при помощи каких-либо опытов с элек­ тромагнитными явлениями системы, находящиеся в инерциальном движении, и системы, находящиеся в движении с ускорением, можно различать. Скажем, в кабину лифта через малое отверстие в стене попадает луч света и, пройдя через кабину, выходит в другое такое же малое отверстие в противоположной стене. Что будет с лучом, если кабина движется с ускоре­ нием g в направлении от пола к потолку и если она неподвижно подвешена в поле тяготения?

В первом случае луч света, проходя через кабину, отклонится к полу кабины и не попадет в противопо­ ложное отверстие. Иными словами, продолжая дви­ гаться горизонтально, луч света упадет на противо­ положной стене в точку, расположенную ниже вы­ ходного отверстия, ибо лифт за время прохождения света через кабину сместится в сторону потолка, а с ним сместится и выходное отверстие. Во втором слу­ чае такого смещения не будет, и внешний наблюда­

54

тель сможет заметить выходящий из отверстия луч света. Таким образом, можно, казалось бы, объек­ тивно объяснить, чем вызваны физические явления в лифте — тяготением или ускорением.

Но требование общности физических законов, в направлении которого шел Эйнштейн уже в специаль­ ной теории относительности, заставляет его сделать смелое теоретическое допущение: на свет, точно так же, как и на иные электромагнитные явления, следу­ ет распространить принцип эквивалентности. Сам А. Эйнштейн таким образом поясняет данный теоре­ тический вывод: «...тело, движущееся относительно К прямолинейно и равномерно (в соответствии с зако­ ном Галилея), относительно ускоренно движущегося тела отсчета К' (ящика) совершает ускоренное, вооб­

тело гравитационного поля, существующего относи­ тельно К'. Такое влияние гравитационного поля на движение тел известно, так что эти рассуждения не вносят ничего принципиально нового» (никакого раз­ рыва опыта и теории здесь нет! — В. С.). Далее чи­ таем: «Однако получается новый фундаментальный результат, если провести соответствующее рассужде­ ние применительно к световому лучу. Свет распрост­ раняется относительно галилеевского тела отсчета К по прямой линии со скоростью с. Относительно же движущегося с ускорением ящика (тело отсчета К) путь того же светового луча, как легко показать, уже не будет представлять собой прямую линию. Отсюда следует заключить, что в гравитационных полях све­ товые лучи распространяются, вообще говоря, по кри­ волинейному пути» Г Здесь произошел разрыв: опыт­ ных данных на этот счет нет.

1 А. Эйнштейн. Физика и реальность, стр. 203.

55

Дальнейшие рассуждения Эйнштейна в том же направлении еще более увеличивают этот разрыв, приводя к противоречию теоретических положений с опытом. В данном случае имеются в виду выводы Эйнштейна относительно искривления четырехмерных мировых линий всех физических объектов в гравита­ ционном поле. Как известно, и к этому выводу Эйн­ штейн пришел, анализируя мысленный эксперимент с дисками, один из которых неподвижно расположен в галилеевом пространстве, а другой вращается вокруг собственной оси. На этом пути как раз и возникли самые большие трудности, которые встали перед тео­ рией. Возникла необходимость отказа от тех пред­ ставлений, которые, казалось бы, неумолимо дикто­ вались физическим опытом, а именно от эвклидова характера реального пространства, в котором разво­ рачиваются все физические явления. «...Путь оказал­ ся труднее, — отмечает Эйнштейн, — чем можно бы­ ло предполагать сначала, поскольку потребовалось отказаться от эвклидовой геометрии» Вот это и есть само противоречие.

Дело заключается в том, что эквивалентность тя­ готения и ускорения, которая в качестве важнейшего принципа была сформулирована Эйнштейном еще в 1911 г., имеет место лишь в бесконечно малых обла­ стях пространства. И задача, естественно, заключа­ лась в том, чтобы выйти за пределы этого ограниче­ ния. И сама задача, и трудность ее решения прекрас­ но осознавались Эйнштейном. «Задачей ближайшего будущего, — писал он в одной из работ, предшеству­ ющих «Основам общей теории относительности», — является создание такой теоретической релятивист­ ской схемы, в которой эквивалентность между инерт-

• ной и тяжелой массой сможет найти свое выражение...

1 А: Эйнштейн. Физика и реальность, стр. 250.

56

Я должен сознаться, что удалось разработать это представление без противоречий только для бесконеч­ но малых областей и что я не могу дать этому обсто­ ятельству никакого удовлетворительного объяснения...

С другой стороны... принцип эквивалентности откры­ вает перед нами интереснейшую перспективу, выдви­ гая требования, что уравнения некоторой новой, охва­ тывающей и гравитацию теории относительности должны оказаться инвариантными и по отношению к преобразованиям с ускорением (и вращением). Ко­ нечно, нут1} к этой цели представляется весьма труд­ ным»1.

Однако Эйнштейну удалось преодолеть трудности и в конце концов выйти за пределы ограничения, пе­ рейти от принципа эквивалентности, справедливого в малых областях с однородными гравитационными полями, к общему принципу относительности, дающе­ му возможность в конечных областях пространства — времени с неоднородными гравитационными полями сопоставлять Друг с другом различные неинерциальпые системы при помощи общих ковариантных форм выражения законов природы. Описывать сам способ получения такого сопоставления в данном случае уже не имеет смьюла, так как это в значительной мере перегрузило бы изложение общей теории относитель­ ности специальным материалом из области математи­ ки и в то же время, мало что прибавило бы к конста­ тации итогового противоречия общей теории относи­ тельности с. физическим опытом, выраженным в тре­ бованиях геометрии Евклида.

Итак,' общая теория относительности, которая яви­ лась новым способом согласования опытных данных, в то же время заключала в себе противоречие с ши­ роким кругом данных опыта, нашедших выражение в

1 «Принцип относительности». Л., 1935, стр. 374—375.

57

столь ясных й очевидных положениях геометрии Евк­ лида, что их пытались возвести в ранг априорных понятий (Кант). Могут ли, однако, сосуществовать столь различные моменты знания, как согласование теории с опытом и противоречие теории и опыта? Дело заключается в том, что согласование никогда не является абсолютным, как и противоречие, а поэтому одно согласование заменяется не просто другим, но более строгим и более точным. Новая теория проти­ воречит опыту, однако это противоречие является противоречием как бы следующей степени точности. На этом основании и доказательства новой теории отыскиваются очень часто путем большего уточнения известных в предварительном приближении результа­ тов. Точно такое положение и имело место в случае доказательств общей теории относительности.

«Доказательством точности новой теории тяготе­ ния и приближенного характера ньютонова закона было наблюдение отклонения света в гравитационном поле Солнца»*. Основой общей теории относительно­ сти является универсальное искривление мировых ли­ ний в полях тяготения материальных масс. Тяготение искривляет мировые линии света. Это всеобщее ис­ кривление мировых линий в поле тяготения и можно рассматривать как искривление самого пространства, вызываемое гравитирующими массами. Чем плотнее заполнено пространство этими массами, тем мировые линии в нем более отклоняются от евклидовых. Сле­ довательно, вблизи Солнца можно попытаться заме­ тить это отклонение, используя в качестве наблюдае­ мого явления свет далекой звезды, проходящей в непосредственной близости около Солнца. То, что та­ кое отклонение происходит, было зарегистрировано1

1 Б. Г. Кузнецов. Развитие физических идей от Галилея до Эйнштейна в свете современной науки, стр. 384.

58