Современные представления о материи, в пространстве и времени. Общая и специальная теории относительности

2. Современные представления о материи, в пространстве и времени. Общая и специальная теории относительности

На границе XIX-XX веков в физике произошел кризис, который был связан с невозможностью объяснить новые эмпирические данные с помощью законов и принципов, сформулированных в рамках механистической парадигмы. Кризис и последовавшая за ним научная революция способствовали тому, что на смену классической физике, построенной на принципах механики И.Ньютона, пришла новая фундаментальная теория - специальная теория относительности А.Эйнштейна, которая возникла на границе между механикой И.Ньютона и электромагнитной теорией Дж.Максвелла, как результат попыток устранить логические противоречия, существовавшие между этими двумя концепциями.

Специальная теория относительности распространила принципы относительности, сформулированные еще Г.Галилеем для механических систем, на электромагнитные взаимодействия. Ряд опытов, проведенных физиками в конце XIX в., показал, что скорость света остается неизменной во всех системах координат независимо от того, движется излучающий свет источник или нет. Однако эти выводы противоречили принципу относительности Г.Галилея.

В конце XIX в. преобладало представление о том, что мировое пространство заполнено особым эфиром, в котором распространяются световые волны. Для того, чтобы обнаружить движение Земли относительно эфира, американский физик А.Майкельсон в 1887 году решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному и вертикальному направлениям относительно Земли. Согласно гипотезе светоносного эфира время прохождения света по этим направлениям должно различаться. Но результат эксперимента показал неизменность скорости света в обоих направлениях. Такой вывод противоречил классическим представлениям о том, что координаты и скорости должны преобразовываться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Скорость света оказалась не зависящей от движения Земли.

Для объяснения результатов эксперимента А.Майкельсона X.Лоренц вывел уравнения, позволяющие вычислить сокращение движущихся тел и промежутков времени между событиями, которые происходят в зависимости от скорости движения объектов. Преобразования X.Лоренца предполагали реальное сокращение тел и промежутков времени.

В 1905г, А.Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой объяснил результаты опытов А.Майкельсона и изложил основные положения специальной теории относительности. А.Эйнштейн распространил принцип относительности на все системы и сформулировал его иначе, чем Г.Галилей: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии прямолинейного и равномерного движения, т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны между собой. Таким образом, было преодолено представление об эталонной абсолютной системе отсчета, которую связывали с эфиром, все системы отсчета были признаны равнозначными, не имеющими никаких преимуществ друг перед другом, а принцип относительности приобрел всеобщий, универсальный характер.

Следствием такого понимания принципа относительности стало введение в физику понятия инвариантности. Инвариантность понимается как неизменность физических величин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Все законы природы неизменны при переходе от одной; инерциальной системы к другой, т.е., находясь внутри инерциальной системы, невозможно обнаружить, движется она или покоится.

Специальная теория относительности установила также инвариантность материальных процессов и скорости света относительно преобразований X.Лоренца. А.Эйнштейн показал, что преобразования X.Лоренца отражают не реальные сокращения тел и промежутков времени, а изменение результатов измерений в зависимости от движения системы отсчета. Тела сокращаются, а время замедляется для внешнего наблюдателя, тогда как внутри движущейся системы все физические процессы протекают обычным образом.

А.Эйнштейн сформулировал также принцип инвариантности скорости света, который гласит: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300000 км/с.

А.Эйнштейн пришел к выводу, что противоречия в основах классической механики вытекают из неверного, не соответствующего физическому опыту представления о свойствах пространства и времени как абсолютных и неизменных, так и из неверного представления об абсолютной одновременности событий.

Классические представления о пространстве и времени сформулированы в рамках субстанциональной концепции, которая окончательно сформировалась в Новое время. Ее основой стали онтологические представления философов XVII века и И.Ньютона. Пространство в механике И.Ньютона — это пустое вместилище для вещества. Пространство - однородно, неподвижно и трехмерно. Время - совокупность равномерных моментов, следующих один за другим в направлении от прошлого к будущему. В субстанциональной концепции пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, не зависящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов.

Субстанциональная концепция пространства и времени адекватно вписывалась в механистическую картину мира, предлагаемую классической философией, и соответствовала уровню развития науки XVIIв. Но уже в эпоху Нового времени появляются идеи, которые характеризуют пространство и время вразрез с субстанциональными представлениями. Так, Г.Лейбниц считал, что пространство и время - это особые отношения между объектами и процессами и независимо от них не существуют. Пространство - порядок сосуществований тел, а время - порядок последовательностей событий. Г. Лейбниц утверждал, что существует связь материи с пространством и временем: «мгновения в отрыве от вещей ничто, и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей».

Несколько позже Г.Гегель отмечал, что движущаяся материя, пространство и время связаны друг с другом, а с изменением скорости протекания процессов меняются и пространственно-временные характеристики. Г. Гегель, в частности, говорил: «Мы не можем обнаружить никакого пространства, которое было бы самостоятельным. Оно всегда есть наполненное пространство и нигде не отличается от своего наполнения». Впервые же идеи о пространстве, которые можно характеризовать как реляционные, были высказаны античными философами. Так, Аристотель критиковал Демокрита и отрицал существование пустоты. Пространство, по его мнению, есть система естественных мест, занимаемых материальными объектами.

В законченном виде реляционная концепция пространства и времени сложилась после создания общей и специальной теорий относительности А.Эйнштейна и неевклидовой геометрии Н. Лобачевского.

Так, А.Эйнштейн пришел к выводу об универсальности и всеобщности принципа относительности: не только механические, но и электромагнитные инерциальные системы равноправны по отношению друг к другу, а события, одновременные в одной системе, не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой. Следствием этого вывода стало признание относительности измерений размеров тел: длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть различна. То же самое относится и ко времени: время протекания процесса будет различным, если измерять его часами, движущимися с разными скоростями. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, а размеры тел сокращаются, если наблюдать за ними, находясь за пределами самой движущейся системы.

Таким образом, в специальной теории относительности размеры тел и время протекания процессов ставятся в прямую зависимость от системы отсчета, в которой производится их измерение. Оказалось, что физический процесс может быть описан только по отношению к конкретной системе отсчета, выбор которой зависит от наблюдателя. Иначе, для адекватного описания релятивистских явлений фактор наблюдателя становится существенным.

Еще одним важным следствием теории А.Эйнштейна стало признание относительности, массы тела, которая была поставлена в зависимость от скорости его движения. Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии, а энергия зависит от скорости движения. Известная формула Е - тс² выражает это отношение.

Общая теория относительности (или гравитационная теория), созданная А.Эйнштейном в 1916 г., позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любым ускорением. Распространение результатов специальной теории на неинерциальные системы отсчета привело к установлению зависимости между метрическими свойствами пространства и времени и гравитационными взаимодействиями. К подобным выводам привели следующие размышления о существовании двух способов определения массы тела: через ускорение (инертная масса) и через притяжение в поле тяготения (гравитационная масса). Эквивалентность инертной и гравитационной масс была известна еще в классической физике. Специальная теория относительности установила зависимость инертной массы от скорости движения тела.

Перед физиками встал вопрос: существует ли зависимость между движением и гравитационной массой?.

Оказалось, что метрика пространства - времени зависит от силы гравитационного поля, которое создается веществом. Массы вещества создают особое поле тяготения, материя влияет на свойства пространства и времени. Например, было установлено, что на Солнце все происходит медленнее, чем на Земле, из-за более высокого гравитационного потенциала на его поверхности. В 1919г. во время солнечного затмения наблюдалось отклонение луча света вблизи поверхности Солнца, что свидетельствовало об изменении свойств пространства.

Вывод А.Эйнштейна гласил: в зависимости от гравитационных масс время замедляется или, напротив, ускоряется, а пространство искривляется. Кривизна пространства измеряется отклонением от классических правил геометрии Евклида. Так, например, в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180°. Однако сумма углов треугольника, изображенного на поверхности сферы, больше 180°, а на седловидной поверхности — меньше 180°. Поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностью положительной кривизны, а поверхность седла — отрицательной. Величина поля тяготения в каждой точке пространства зависит от его кривизны. Инерциальное движение точки в таком пространстве осуществляется не прямолинейно и равномерно, а по геодезической линии искривленного пространства.

Идею искривленного пространства положительной кривизны предложил Б.Риман, отрицательной — Н.И.Лобачевский. Еще в 1829г. Лобачевский в работе «Начала геометрии» доказал, что возможна непротиворечивая геометрия, отличная от считавшейся единственно возможной евклидовой геометрии. Ученый показал, что свойства пространства зависят от свойств движущейся материи, окончательный же ответ на вопрос о свойствах пространства, по мнению Н.И.Лобачевского, должны дать астрономические наблюдения. Немного позже, в 1867г., вышла в свет работа Б.Римана «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», в которой он также высказывал идею зависимости свойств пространства от материальных тел. Физическое пространство может быть искривлено, однако искривлено ли оно на самом деле, должен, по мнению Б.Римана, решить эксперимент.

Общая теория относительности А.Эйнштейна соединила в рамках одной концепции понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени. Выводы общей и специальной теории относительности и неевклидовой геометрии полностью дискредитировали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Оказалось, что признанные классическими субстанциональные представления не являются окончательными и единственно верными.

Реляционная парадигма предполагает рассмотрение пространства и времени как систем отношений между взаимодействующими объектами. Пространство и время неразрывно связаны друг с другом и составляют единый пространственно-временной континуум. Кроме того, их свойства напрямую зависят от характера протекающих в них материальных процессов. Выводы общей теории относительности получили экспериментальное подтверждение после открытия явления красного смещения спектров звезд и отклонения луча света под действием поля тяготения.

Несмотря на достаточно убедительные доказательства общей теории относительности и ее всеобщее признание, в физике продолжаются попытки создания альтернативных теорий тяготения и гравитации. Основание для этого дает сама теория А.Эйнштейна. Например, фундаментальные свойства нашего мира, как однонаправленность времени или трехмерность пространства, рассматриваются теорией относительности просто как данность. Их происхождение и материальная основа не объясняются.

Кроме того, в основе теории относительности лежит предположение: «скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью физических процессов». Однако нет никаких доказательств абсолютности запрета на существование сверхсветовых скоростей. В связи с этим в современной физике рассматривается гипотеза тахионов - частиц, которые движутся с большей скоростью, чем скорость света. Гипотеза тахионов допускает, что досветовые и сверхсветовые частицы представляют собой принципиально различные типы частиц, которые нельзя преобразовать друг в друга путем изменения их скорости. Иными словами, тахионы рождаются и умирают, не преодолевая световой барьер, всегда имея скорость больше скорости света. Существование подобных частиц с совершенно непривычными для нас свойствами меняет описание процессов, протекающих в природе. Парадоксальность тахионов не может служить основанием для вывода о невозможности их существования, важно то, что теоретически мыслимые свойства тахионов не противоречат законам, лежащим в основе современной физики. Экспериментальные поиски сверхсветовых эффектов пока не увенчались успехом, в связи с этим вопрос о существовании тахионов остается открытым.

Новые концепции тяготения и гравитации пока не обладают большим эвристическим потенциалом, эстетической привлекательностью и простотой, т.е. не соответствуют принятым в современной науке критериям отбора и предпочтения теорий. Тем не менее, не вызывает сомнения, что поиски альтернативных теорий будут продолжаться. Как говорил А.Эйнштейн, «наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными».

В современной науке пространству и времени приписываются определенные характеристики. Общими и для пространства, и для времени являются свойства объективности и всеобщности. Пространство и время объективны, так как существуют независимо от сознания. Всеобщность означает, что эти формы присущи всем без исключения воплощениям материи на любом уровне ее существования.

У пространства и времени есть ряд специфических характеристик. Так, пространству приписываются протяженность, изотропность, однородность, трехмерность. Протяженность предполагает наличие у каждого материального объекта определенного местоположения. Изотропность - равномерность всех возможных направлений, т.е. инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета. Однородность пространства характеризует отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, т.е. при переносе в пространстве свойства системы не меняются. Свойства изотропности и однородности пространства являются следствием его симметричности, т.е. независимости от изменения физических условий. Трехмерность описывает тот факт, что положение любого объекта в пространстве может быть определено с помощью трех независимых величин.

Понятие многомерного пространства существует пока только как математическое, а не как физическое. Основания трехмерности наблюдаемого пространства ищутся в структуре некоторых фундаментальных процессов, например, в строении электромагнитной волны и фундаментальных частиц. Один из российских исследователей этой проблемы, Л.М.Гиндилис, утверждает, что мы можем изучать п-мерные миры лишь мысленно, но для нас закрыты возможности для их экспериментального изучения. Так, математический анализ показывает, что при п > 4 не могут существовать замкнутые устойчивые орбиты движения тел. Это в свою очередь означает, что планеты должны либо падать на центральное тело в планетной системе, либо уходить в бесконечность, т.е. в многомерных мирах невозможно существование аналогов планетных систем и атомов. Следовательно, невозможна жизнь. Таким образом, единственное значение параметра и, которое совместимо с существованием жизни во Вселенной, равно именно этот мир мы и наблюдаем.

Времени приписываются свойства: длительности, необратимости, однородности и одномерности. Длительность времени интерпретируется как продолжительность существования любого материального объекта или процесса. Одномерность времени означает, что положение объекта во времени описывается единственной величиной. Однородность, как и в случае с пространством, свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных фрагментов, т.е. утверждает инвариантность физических законов относительно выбора точки отсчета времени. Необратимость, его однонаправленность от прошлого к будущему, скорее всего, связана с необратимостью протекания некоторых фундаментальных процессов и характером законов в квантовой механике. Существует также причинная концепция обоснования необратимости времени, согласно которой если бы время было обратимо, то причинная связь оказалась бы невозможной.

Идею о едином пространственно-временнум континууме в конце XIX веке предложил немецкий математик и физик Г.Минковский, поэтому четырехмерный пространственно-временной континуум называют миром Минковского. В этом мире положение тела может быть определено с помощью четырех величин: трех пространственных и одной временной.