Меню Рубрики

Точка зрения релятивистской физики при исчезновении всех тел

Нас посетило 38 млн. человек | «Русскому переплёту» 20 лет | Чем занимались русские 4000 лет назад?


Next: Системы координат в астрономии. Up: Системы координат в астрономии. Previous: Абсолютное пространство и абсолютное

В теории относительности выбор системы зависит от присутствия тел и их движения, которое необходимо описывать внутри выбранной системы отсчета. Вообще говоря, в современной физике и астрономии нет инерциальной системы отсчета. Можно лишь говорить о том насколько данная система близка к инерциальной.

Насколько отличается равномерный ход времени в различных системах отсчета связанных движущихся с обычными для современного человека скоростями? Можно ли заметить это? Пятьдесят лет назад ответы на эти вопросы были отрицательными. Часы, которые использовало человечество как в быту, так и в физических лабораториях для измерения времени представляли из себя примитивные механические приборы с погрешностью хода зачастую превышающей секунду в сутки. Их точность была слишком низкой чтобы заметить релятивистские эффекты в течении времени.

Есть два основных релятивистских эффекта, которые влияют на скорость хода времени. Первый — скорость. Если часы принадлежат разным системам отсчета, одна из которых движется относительно второй, то часы в первой системе будут идти медленнее. Если установить одновременность двух часов в некоторый момент времени, то так как темп течения времени в двигающейся системе будет медленнее, то часы в ней отстанут. Чеи длинее интервал времени между наблюдениями часов, тем значительнее отстают часы в движущейся системе отсчета. Скажем, для современного самолета, который летит со скоростью звука (300 м/сек) разность хода часов за один час полета составит наносекунды.

Второй эффект влияющий на скорость хода — разность гравитационных потенциалов. Двое покоющихся друг относительно друга часов, находящихся в разных точках пространства будут идти с разной скоростью. В том месте где сила гравитации слабее часы будут идти быстрее.

Пусть одни часы помещены на уровне моря, а вторые помещены на гору высотой 10 км. Тогда вторые часы будут идти быстрее и разность хода за час составит 3.6 наносекунды.

Регистрация хода часов с такой точностью стала возможна, когда были созданы атомные и водородные часы обладающие точностью хода не хуже чем на протяжении примерно одного часа.

Современные часы значительно точнее. С их помощью физикам удалось измерить неравномерность хода времени в двух различных точках пространства.

В одном случае это был эксперимент проведенный итальянскими учеными. Они синхронизовали двое часов. Одни часы они оставили на физическом факультете, а вторые на грузовике вывезли в горы и установили на высоте 3250 метрова над уровнем моря. Подождав 66 дней они спустили вторые часы и сравнили показания. Эксперимент показал полное согласие с теорией Эйнштейна! Часы, которые находились на горе ушли вперед, часы, которые остались на уровне моря — отстали.

Затем четверо идентичных часов были погружены на обычные самолеты и отправились в путешествие. Двое часов на восток, двое — на запад (поскольку полная скорость складывалсь из скорости самолета и скорости вращения Земли, то и скорости часов относительно инерциальной системы были различны). После облета земного шара часы выгрузили и сравнили их показания. Хотя ошибки измерения были достаточно велики ( событие происходило в 1971 г.) сомнений быть не могло — эксперимент подтвердил предсказания теории относительности, подтвердил правоту А.Эйнштейна и установил экспериментальный базис для эффекта неравномерности хода часов.

В 1975 г. был поставлен специальный высокоточный эксперимент для измерения неравномерности хода часов на самолете, который летал над Чизапикском заливом (недалеко от устья реки Потомак, США). Точность хода часов к тому времени достигала . Самолет летал 15 часов, за это часы на борту опередили часы на Земле из — за эффектов неравномерности в изменяющемся гравитационном потенциале (самолет набирал высоту и снижался), а также неравномерность хода времени из — за движения системы отсчета относительно неподвижных часов. Часы, оставшиеся на Земле отсчитывали время находясь в гравитационном поле с большим значением потенциала, часы, находящиеся на борту самолета отсчитывали время в гравитационном поле с меньшим значением гравитационного потенциала. Эта разность хода часов за 15 часов полета достигла 53 наносекунд. В то же время часы, находящиеся на борту двигались относительно часов находящихся на поверхности Земли в покое, отставая от них. Этот эффект был значительно меньше. За 15 часов полета отставание составило всего 6 наносекунд. Оба эффекта в результате показали опережение хода часов в 47 наносекунд. Точность измерения неравномерности хода была лучше одного процента! Так в результате прямых измерений была продемонстрирована неоднородность хода времени в разных точках пространства и различных системах координат.

Тео́рия относи́тельности — физическая теория пространства-времени, то есть теория, описывающая универсальные пространственно-временные свойства физических процессов [1] . Термин был введен в 1906 году Максом Планком с целью подчеркнуть роль принципа относительности в специальной теории относительности (и, позже, общей теории относительности). Иногда используется как эквивалент понятия «релятивистская физика» [прим. 1] .

В широком смысле теория относительности включает в себя специальную и общую теорию относительности. Специальная теория относительности (СТО) относится к процессам, при исследовании которых полями тяготения можно пренебречь; общая теория относительности (ОТО) — теория тяготения, обобщающая ньютоновскую [1] . В узком смысле теорией относительности называют специальную теорию относительности.

В истории физики термин теория относительности иногда используется для отграничения взглядов Эйнштейна, Минковского и их последователей, отвергающих концепцию светоносного эфира, от взглядов некоторых их предшественников, таких как Лоренц и Пуанкаре [2] .

Содержание

Отличия СТО от ньютоновской механики

Впервые новая теория потеснила 200-летнюю механику Ньютона. Это в корне изменило восприятие мира. Классическая механика Ньютона оказалась верной лишь в земных и близких к ним условиях: при скоростях намного меньше скорости света и размерах, значительно превышающих размеры атомов и молекул и при расстояниях или условиях, когда скорость распространения гравитации можно считать бесконечной.

Ньютоновские понятия о движении были кардинально скорректированы посредством нового достаточно глубокого применения принципа относительности движения. Время уже не было абсолютным (а начиная с ОТО — и равномерным).

Более того, Эйнштейн изменил фундаментальные взгляды на время и пространство. Согласно теории относительности, время необходимо воспринимать как почти равноправную составляющую (координату) пространства-времени, которая может участвовать в преобразованиях координат при изменении системы отсчета вместе с обычными пространственными координатами, подобно тому, как преобразуются все три пространственные координаты при повороте осей обычной трёхмерной системы координат.

Область применимости

Область применимости СТО

Специальная теория относительности применима для изучения движения тел с любыми скоростями (в том числе близкими или равными скорости света) при условии отсутствия очень сильных гравитационных полей.

Область применимости ОТО

Общая теория относительности применима для изучения движения тел с любыми скоростями в гравитационных полях любой интенсивности, если квантовыми эффектами можно пренебречь.

Применение

Применение СТО

Специальная теория относительности применяется в физике и астрономии начиная с XX века. Теория относительности значительно расширила понимание физики в целом, а также существенно углубила знания в области физики элементарных частиц, дав мощнейший импульс и серьёзные новые теоретические инструменты для развития физики, значение которых трудно переоценить.

Применение ОТО

С помощью данной теории космология и астрофизика сумели предсказать такие необычные явления, как нейтронные звезды, черные дыры и гравитационные волны.

Принятие научным сообществом

Принятие СТО

В настоящее время специальная теория относительности общепринята в научном сообществе и составляет базис современной физики. [3] Часть ведущих физиков сразу приняла новую теорию, в их числе — Макс Планк, Хендрик Лоренц, Герман Минковский, Ричард Толмен, Эрвин Шрёдингер и другие. В России под редакцией Ореста Даниловича Хвольсона, вышел знаменитый курс общей физики, подробно изложивший специальную теорию относительности и описание экспериментальных оснований теории. Вместе с тем, критическое отношение к положениям теории относительности выражали Нобелевские лауреаты Филипп Ленард [4] , Й. Штарк, Дж. Дж. Томсон, полезной оказалась дискуссия с Максом Абрахамом и другими учёными.

Принятие ОТО

Особенно продуктивно было конструктивное обсуждение принципиальных вопросов общей теории относительности (Шрёдингер и др.), фактически это обсуждение продолжается до сих пор.

Общая теория относительности (ОТО) в меньшей степени, чем СТО, экспериментально проверена, содержит несколько принципиальных проблем, и известно, что пока в принципе допустимы некоторые из альтернативных теорий гравитации, большинство из которых, правда, можно считать в той или иной мере просто модификацией ОТО. Тем не менее, в отличие от многих из альтернативных теорий, по мнению научного сообщества, ОТО в своей области применимости пока соответствует всем известным экспериментальным фактам, в том числе и сравнительно недавно обнаруженным (так, недавно было найдено ещё одно возможное подтверждение существованию гравитационных волн [5] [6] ). В целом же ОТО является в своей области применимости «стандартной теорией», то есть признанной научным сообществом основной. [3]

Специальная теория относительности

Специальная теория относительности [7] (СТО) — теория локальной структуры пространства-времени. Впервые была представлена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в работе «К электродинамике движущихся тел». Теория описывает движение, законы механики, а также пространственно-временные отношения, определяющие их, при любых скоростях движения, в том числе и близких к скорости света. Классическая механика Ньютона в рамках специальной теории относительности является приближением для малых скоростей. СТО может применяться там, где можно ввести инерциальные системы отсчёта (хотя бы локально); она неприменима для случаев сильных гравитационных полей, существенно неинерциальных систем отсчёта и при описании глобальной геометрии Вселенной (кроме частного случая плоской пустой стационарной Вселенной).

Специальная теория относительности возникла как разрешение противоречия между классической электродинамикой (включая оптику) и классическим галилеевским принципом относительности. Последний утверждает, что все процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Это означает, в частности, что любые механические эксперименты в закрытой системе не позволят определить без наблюдения внешних по отношению к ней тел, как она движется, если её движение равномерно и прямолинейно. Однако оптические эксперименты (например, измерение скорости распространения света в разных направлениях) внутри системы в принципе должны были бы обнаружить такое движение. Эйнштейн распространил принцип относительности и на электродинамические явления, что, во-первых, дало возможность описать практически весь круг физических явлений с единых позиций, а во-вторых, позволило объяснить результаты эксперимента Майкельсона — Морли (в котором не было обнаружено никакого влияния квазиинерциального движения Земли на скорость распространения света). Принцип относительности стал первым постулатом новой теории. Однако непротиворечивое описание физических явлений в рамках расширенного принципа относительности стало возможным лишь ценой отказа от ньютоновского абсолютного евклидового пространства и абсолютного времени и их объединения в новый геометрический конструкт — псевдоевклидово пространство-время, в котором расстояния и временные промежутки между событиями трансформируются определённым образом (посредством преобразований Лоренца) в зависимости от системы отсчёта, из которой они наблюдаются. Это потребовало введения дополнительного принципа — постулата инвариантности скорости света. Таким образом, специальная теория относительности базируется на двух постулатах:

1. Все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

2. Скорость света в вакууме, измеренная в любой инерциальной системе отсчёта, одна и та же и не зависит от движения излучателя.

Следствием второго принципа (и общенаучного принципа причинности) является невозможность движения физических тел и передачи информации со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

При движении со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, кинематика СТО неотличима от ньютоновской кинематики, а преобразования Лоренца переходят в классические преобразования Галилея. Формально в пределе бесконечной скорости света формулы специальной теории относительности переходят в формулы классической механики.

Общая теория относительности

Общая теория относительности — теория гравитации, опубликованная Эйнштейном в 1915—1916 годах. Является дальнейшим развитием специальной теории относительности. В общей теории относительности постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся. Эта деформация связана, в частности, с присутствием массы-энергии.

Читайте также:  Третья строчка снизу таблица для проверки зрения

Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями.

Глава XI.
Релятивистская физика

Изучение диалектического материализма помогло нам критически подойти к точке зрения Эйнштейна на созданную им теорию и заново ее осмыслить. Оно помогло нам также правильно понять и истолковать полученные нами новые результаты.

Я согласен с Фоком, что общий принцип относительности пуст. Мы, конечно, знаем, что не существует физической эквивалентности между инерциальным и ускоренным наблюдателями. Я чувствую уверенность, что математики могут найти путь записать математически эквивалентно любые заданные законы.

С пециальная теория относительности (СТО) в том виде, как она была разработана Эйнштейном, вытекает из двух постулатов: 1) принципа относительности, утверждающего, что физические процессы, происходящие в замкнутой системе, не испытывают воздействия неускоренного движения системы в целом, и 2) принцип независимости скорости света от движения его источника. Первый постулат был принят в классической механике задолго до Эйнштейна и, возможно, наилучшим образом иллюстрируется сравнением физических явлений, таких, как падающие объекты в двух различных инерциальных системах (системах, в рамках которых тела, не испытывающие воздействия внешних сил, двигаются прямолинейно и с постоянной скоростью). Если данная инерциальная система движется с постоянной скоростью и прямолинейно относительно другой фиксированной системы, то законы механики должны иметь одинаковую форму в обеих системах. Обыденной иллюстрацией этого отношения является тот факт, что для наблюдателя в поезде, движущемся с постоянной скоростью, падающий объект описывает траекторию, идентичную той, которую он бы увидел, если бы вместе с падающим объектом оказался на земле. Для неподвижного наблюдателя вне поезда падающий в поезде объект описывает, однако, параболу. В этом случае был совершен переход от одной системы отсчета к другой и, в соответствии с классической механикой, преобразования Галилея предоставили бы средства построения уравнения для параболы, исходя из данных, полученных в движущемся вагоне (примеч. ¬– соотношения между x, y, z, t и х’, у’, z’, t’ в двух системах отсчета S и S’ задается следующими уравнениями. Преобразования, основанные на этих уравнениях, называются преобразованиями Галилея: х=х’+ut, у=у’, z=z’, t=t’.) /348/

В развитии СТО Эйнштейн расширил принцип относительности применительно как к механическим, так и к электромагнитным явлениям. Это расширение обусловило необходимость выведения новых преобразований, ибо преобразования Галилея не дают объяснения постоянству скорости света во всех инерциальных системах, — это постоянство было продемонстрировано еще до работы Эйнштейна в известном эксперименте Майкельсона и Морли. Для сохранения принципа постоянства скорости света в различных инерциальных системах и для утверждения существования эквивалентных систем отсчета Эйнштейн усовершенствовал правила трансформации от одной системы к другой. Новые соотношения, известные как преобразования Лоренца, завершили это приспособление тем, что часы в различных инерциальных системах идут с различной скоростью и что пространственное расстояние между точками варьируется в различных системах отсчета (примеч. – соотношения имеют следующий вид: х=(х’+ut’), у=у’, z=z’, t== (t’+ х’u/c 2 )/ g , g = √ 1 – b 2 , b = u/c, где c – скорость света.).

До конца второй мировой войны профессиональные физики в Советском Союзе были в основном равнодушны к диалектическому материализму, несмотря на то внимание, которое Ленин посвятил физике в своем «Материализме и эмпириокритицизме». На самом деле имел место спор о релятивистской физике среди советских философов в 20—30-х годах[1]. В те годы релятивистская физика была объектом дискуссий и отдельных полемик среди широко образованной публики во всем мире. С. Ю. Семковский был первым советским марксистским автором, предпринявшим тщательный анализ релятивистской физики. Он утверждал в 1926 г., что новая физика Эйнштейна не только не противоречит диалектическому материализму, но блестяще подтверждает его[2]. Семковский подчеркивал, что, согласно теории относительности, пространство и время являются не продуктами «чистого разума», а «формами существования материи»[3]. Давид Жоравски, американский специалист по истории России, даже заметил, что, «говоря об активной оппозиции новой физике, можно даже засвидетельствовать, что ее было меньше в сообществе советских физиков, чем где-либо еще»[4].

Перед второй мировой войной советские физики полностью сознавали противоречивость отношения между естествознанием и философией, которая проистекала из широкого принятия воззрений Эрнста Маха и Анри Пуанкаре, и они знали, что эти новые концептуальные подходы были /349/ важными для развития Эйнштейном его теории относительности. Те советские физики, которые знали о ленинской критике Маха, могли испытывать необходимость сдерживаться при обсуждении философских оснований теории относительности, но их успокаивало то тщательное различение, которое Ленин проводил между естествознанием и философскими интерпретациями естествознания. В университетских лекциях, монографиях и учебниках предвоенных лет можно найти многие доказательства того, что русские физики и математики воспринимали те же самые научные и философские течения, что и естествоиспытатели во всех странах.

Примеры типично интернациональных настроений советских физиков могут быть найдены в университетских лекциях известного физика Л. И. Мандельштама (1879—1944), который с 1932 по 1944 г. преподавал теоретическую физику в МГУ и который оказал сильное влияние на целое поколение советских физиков. Среди его студентов были Г. С. Ландсберг и И. Е. Тамм. Мандельштам, получивший образование в Новороссийском и Страсбургском университетах, глубоко интересовался западной философской мыслью, которая его сильно привлекала, начиная от Маха и кончая представителями Венского кружка и логического позитивизма. Мандельштам учил своих студентов, что имеет место существенное различие между логической структурой научной теории и эмпирическими фактами, к которым она относится, и он был уверен, что связи между ними были созданы на основе определений, которые сами по себе не были ни истинными, ни ложными, а просто удобными или неудобными. Этот подход, являвшийся одним из краеугольных камней логического эмпиризма в философии науки, был явным в мандельштамовских обсуждениях метрики пространства и времени. Он отмечал, что «физик должен иметь «рецепт», как находить длину. Он должен такой рецепт указать, он его не узнает, а определяет»[5]. Время, по мнению Мандельштама, также определяется в отношении к некоторому виду периодического физического явления, такого, как вращение Земли или движение стрелок хронометра; это условие тоже является просто определением без абсолютного содержания. «Возьмем для простоты определение времени хронометром. Таким образом, время, то есть то, что я подставляю в формулы Ньютона вместо t, есть то, что показывает стрелка моих часов». Без подобных определений, согласно Мандельштаму, такие уравнения, как уравнения Ньютона и Максвелла, выражают лишь математические отношения и прямо не соотносятся с физическим опытом.

Представления Мандельштама хорошо знакомы физикам и философам естествознания. Они не публиковались при его жизни, хотя были известны его студентам и коллегам. Выход в свет в 1950 г. пятого тома его трудов, где они нашли отражение, вызвал самую настоящую сенсацию среди философов естествознания в Советском Союзе (см. с. 355). Случай с Л. И. Мандельштамом служит одним из доказательств того, что физики в Советском Союзе были знакомы (пусть не совсем полно) с основными течениями довоенной интерпретации философских оснований теории относительности. Действительно, было совершенно невозможно не знать о том, что отказ от кантианских концепций пространства и времени был необходим для развития теории относительности.

В учебнике физики 1948 г., утвержденном Министерством высшего образования для использования в вузах, следующие суждения не оставляли сомнений в уверенности авторов в условности пространственной/850/ и временной конгруэнтности. Здесь явно утверждались такие положения, которые позднее критиковались многими советскими философами естествознания и некоторыми крупными учеными (например, А. Д. Александров): «Эйнштейн указал, что одновременность пространственно разделенных событий — это вопрос определения: необходимо просто условиться, какие удаленные события по определению будут считаться одновременными, подобно тому как мы условливаемся понимать под длиной число, показывающее, сколько раз определенный жесткий стержень (эталон длины) укладывается между двумя заданными точками. Можно давать другие определения длины и промежутка времени, основанные на других эталонах и способах употребления этих эталонов. »[6].

Вскоре после второй мировой войны все более возрастающие в Советском Союзе ограничения в интеллектуальной сфере позволили воинствующим идеологам оказать прямое давление на физиков. А. А. Жданов в своей речи от 24 июня 1947 г. не упоминал ставшей наиболее острой проблемы в естествознании — биологии, но он критиковал отдельные интерпретации физических теорий: «Не понимая диалектического хода познания, соотношения абсолютной и относительной истины, многие последователи Эйнштейна, перенося результаты исследования законов движения конечной, ограниченной области Вселенной на всю бесконечную Вселенную, договариваются до конечности мира, до ограниченности его во времени и пространстве, а астроном Милн даже «подсчитал», что мир создан 2 миллиарда лет тому назад»[7].

Замечания А. А. Жданова, хотя и направленные больше против космологических интерпретаций общей теории относительности, нежели основных положений этой теории и специальной теории относительности, предваряли новые дебаты по философским основаниям релятивистской теории, которые продолжались до 1955 г. и затем — в измененной и гораздо более утонченной форме — вплоть до настоящего времени. Космологический аспект этого спора будет отдельно разбираться в следующей главе.

Большинство советских статей по философским аспектам теории относительности, появившихся в следующие несколько лет, было полностью враждебно по отношению к самой теории, которая рассматривалась в них, как «реакционное эйнштейнианство»[8]. Лишь в 1951 г. главный советский философский журнал поместил статью, в которой теория относительности характеризовалась достаточно позитивно. Эта статья широко критиковалась не только отдельными авторами, но и редколлегией самого журнала[9]. /351/ Уже в 1953 г. в «Вопросах философии» появилась статья, называвшая теорию относительности явно «антинаучной»[10]. По причине длительного существования таких возражений, исторический взгляд на советские настроения относительно релятивистской теории должен включать описание их содержания. Однако было бы серьезной ошибкой приравнивать позицию ранних советских оппонентов теории относительности к точке зрения таких известных поздних ее критиков и интерпретаторов в Советском Союзе, как В. А. Фок, А. Д. Александров и М. Ф. Широков, ибо эти ученые были настоящими интеллектуалами, профессионалами в этой области.

По иронии судьбы, одной из первых статей о философских следствиях теории относительности, появившихся после речи А. А. Жданова, была публикация того самого Г. И. Наана, который позже принялся защищать теорию относительности, чем навлек на себя острую критику. Эта статья появилась в выпуске «Вопросов философии», посвященном недавно скончавшемуся А. А. Жданову. Она была направлена против «физических идеалистов» Соединенных Штатов и Англии, против физиков и философов естествознания, которые, по мнению автора, сомневаются в материальности мира и отрицают «закономерности» природы. Наан отнес к физическим идеалистам разнородную группу западных естествоиспытателей и философов, включая А. С. Эддингтона, Дж. Джинса, П. Иордана, Э. Т. Уиттекера, Э. А. Милна, Бертрана Рассела и Филиппа Франка. Особенно критиковался Франк за его замечание о том, что неопозитивизм происходит от Маха, но так формулирует свои позиции, что его невозможно спутать с идеалистическими или солипсистскими доктринами, так как вопрос о существовании реального мира за пределами наших ощущений есть лишь «псевдовопрос». Наан заключил отсюда, что основной вопрос философии окрестили «псевдопроблемой»[11].

Следующий номер «Вопросов философии» (№ 3, 1948) был важным для философии естествознания в Советском Союзе. Он содержал несколько статей о современной физике и биологии, а также редакционные призывы развивать идеологическую борьбу в естествознании. Статьи по физике М. Э. Омельяновского, А. А. Максимова и Р. Я. Штейнмана продолжили наановский перечень обвинений в адрес многих крупнейших зарубежных интерпретаторов естествознания: Шредингера, Рейхенбаха и Карнапа[12]. Омельяновский особенно много писал о Рудольфе Карнапе, «открытом враге» материализма, который верил, что он «поднялся» над конфликтом /352/ идеализма и материализма. Эддингтона критиковали за его утверждение о том, что многие константы в физике должны приниматься a priori, а Франка — за его попытки наведения мостов между диалектическим материализмом и логическим эмпиризмом[13].

Читайте также:  Каталог оправ для очков для зрения для мужчин

Эти советские критики западных физических воззрений часто использовали как основу популярные и философские публикации западных естествоиспытателей, которые, особенно это характерно для таких мыслителей, как Джинс и Эддингтон часто жертвовали научной строгостью ради красочного языка и выразительности. Но серьезной ошибкой советских критиков был переход от критики неформальных интерпретаций к осуждению самой теории относительности. Это выглядело так, как будто теория может отвечать за все профессиональные и непрофессиональные высказывания ее приверженцев. Это было наиболее очевидно сделано А. А. Максимовым, который в конце концов пришел не только к отрицанию эйнштейновской относительности, но даже галилеевской относительности. Максимов отмечал: «А. Эйнштейн в своей книге о теории относительности писал: «На этом примере ясно видно, что не существует траектории самой по себе, но всякая траектория относится к определенному телу отсчета». Это рассуждение, преподносимое как философский вывод о том, что нет никакой объективно данной траектории тела, существующей независимо от выбора той или иной системы координат, совершенно антинаучно»[14].

Размеры этого комичного словоблудия были настолько велики, что даже редакция журнала не удержалась от сноски к тексту Максимова, в которой указывалось, что хотя они разделяют его стремление критиковать идеалистические воззрения современной физики, тем не менее они считают, что его обсуждение траектории не «охватывает этот вопрос во всей его сложности»[15]. Не успокоившись, Максимов попытался подкрепить свою позицию дополнительным наблюдением о том, что объективные характеристики траектории метеорита определяются, когда он пропахивает борозду на поверхности земли, с которой может быть сделан подходящий для исследования слепок. Максимов признавал, что математические соотношения преобразования Лоренца имеют место, но утверждал, что такие понятия, как длина, время и одновременность, имеют объективное значение. Он, однако, не пытался дать этим понятиям строгие определения.

Прошло достаточно много времени, прежде чем Максимов получил суровый урок в физике, который неизбежно должен был последовать за его статьей. Что же касается нескольких последующих авторов, таких, как Г. А. Курсанов, то они пытались найти более защищенную позицию без необходимости отрицания аргументов Максимова; они соглашались с тем, что движение не может быть отнесено к какому-либо абсолютно неподвижному телу, системе или эфиру, как это явно утверждал Максимов, но они указывали на то, что эта относительность не противоречит движению тел независимо от человеческого сознания. Подобный взгляд на относительность явно не разрешает, по словам Курсанова, рассматривать такие понятия, как «пространство», «время», «сила» и «движение», как «псевдопонятия», что он приписывал Карнапу и Венскому кружку. Тем не менее Курсанов понимал, что относительность временных длительностей и пространственных /353/ расстояний не возникает в процессе наблюдения, а присуща характеристикам самих физических явлений, как описывает их современная наука. В этих пределах он поправлял отдельных советских авторов, неверно интерпретировавших теорию относительности. Но он сохранял веру в существование абсолютной одновременности[16].

Прямой отказ от теории относительности был, конечно, очень маловероятен. В это время физики применяли отдельные аспекты специальной теории относительности так же удобно и часто, как инженеры использовали механику Ньютона. Но теперь, когда эта тема перешла на уровень идеологических дискуссий, в ней было несколько затруднительных моментов, касающихся теории относительности. Отдельно от основных вопросов материализма и объективности стоял второстепенный, но достаточно трудный исторический факт. Дело в том, что Эйнштейн находился под сильным влиянием Маха, часто говорил о своем долге перед ним, а между тем Мах был объектом критики Ленина в «Материализме и эмпириокритицизме»[17]. Могла ли относительность быть отделена от «махистского идеализма»? Этот вопрос волновал какое-то время советских философов естествознания, хотя к концу 50-х годов на него был дан положительный Ответ. Один из возможных выходов в данной ситуации лежит в нахождении иных (помимо Маха) важных предшественников Эйнштейна. Русскими авторами часто делались попытки подчеркнуть роль Н. И. Лобачевского, русского основателя первой неевклидовой геометрии. Так, Л. И. Сторчак писал: «Установление приоритета Лобачевского в формулировке принципа относительности развенчивает старый миф о том, будто бы открытие этого принципа принадлежит Маху»[18]. Но эта попытка использования Лобачевского для замены Маха была неубедительной даже в Советском Союзе, хотя выдающийся Лобачевский не нуждался в дополнительных почестях, чтобы укрепить свое место в истории математики[19].

В начале 1951 г. эстонский ученый Г. И. Наан подверг статью Максимова от 1948 г. резкой критике, язвительно замечая, что, когда Максимов утверждает, что уравнения специальной теории относительности правильны, но при этом существуют абсолютные траектории, то это равносильно, например, утверждению, что таблица умножения верна, отрицая при этом, что 8×11=88[20]. Со времени статьи Наана 1948 г., в которой осуждались /354/ многие зарубежные интерпретаторы релятивистской физики, его взгляды сильно переменились. Да, он не противоречил прямо своим предыдущим замечаниям, но в то время как предыдущая статья была воинствующей критикой зарубежных философов науки, новая статья была лишь трезвым описанием популярной теории относительности для философов. Его критика физических идеалистов сейчас была направлена лишь на тех, кто утверждал, что относительность траектории, кинетической энергии, массы, пространственных и временных интервалов зависит от наблюдателя, Подобно Курсанову, Наан указывал, что относительность не есть субъективное явление, а присуща самим физическим процессам. Его настаивание на абсолютной природе ускорения, однако, указывало на то, что он полностью не принял общей относительности. Эта статья Наана может характеризоваться и как критика вульгарных материалистов, таких, как Максимов, в сочетании с изложением основ современной теории относительности. Статья была терпима по отношению к философским вопросам, что в высшей степени удивительно для сталинской России, принимая во внимание время и место ее публикации.

Незадолго до статьи Наана АН СССР выпустила пятый том работ Л. И. Мандельштама, содержащий изложение его взглядов на теорию относительности. Этот том основывался на записях, сделанных студентами на его лекциях и представленными к публикации после его смерти. В сочетании со статьями Максимова спектр воззрений на философские интерпретации теории относительности, доступных советскому читателю, был удивительно широким, учитывая напряженность идеологической обстановки тех лет. В работах Мандельштама можно найти интерпретации тех естествоиспытателей и философов, которые приветствовали новации в эпистемологической мысли, широко распространенные в Центральной Европе с конца XIX и в начале XX в.

Взгляды Наана, хотя и не обладали той степенью важности, что воззрения Мандельштама, были аналогичны взглядам тех советских естествоиспытателей, которые больше всего желали продолжить работу в физике и которые были достаточно нетерпимы к вторжениям философов.

Этот спектр, хотя он и достаточно разнообразен, представлял малый выбор для Советского Союза, который исходил из сталинизма и, однако, сохранял приверженность к универсальной марксистской философии. Позиция Максимова противоречила большей части современной физики, позиция Наана была почти нейтральна к диалектическому материализму, а позиция Мандельштама косвенным образом даже противостояла советскому диалектическому материализму, так как он черпал свое вдохновение из зарубежных и немарксистских источников и был несогласен с советскими марксистскими интерпретациями того времени. /355/

Истинное улучшение интеллектуального качества советских обсуждений теории относительности началось еще до смерти Сталина в марте 1953 г. Несколько известных советских физиков и математиков решили вмешаться в философские дебаты с целью защитить теорию относительности от нападок идеологически воинствующих философов и невежественных физиков. Это решение в конце концов вылилось в усиление как научного содержания советской философии, так и философской восприимчивости советских естествоиспытателей. Опасность для теории относительности стала ясной в статьях 1952 г. философа И. В. Кузнецова и физика Р. Я, Штейнмана[21]; эти статьи вышли в той же «Зеленой книге» (редактируемой ультраконсервативным А. А. Максимовым), которая уже упоминалась в предыдущей главе по квантовой механике. Штейнман и Кузнецов перешли от критики философии Эйнштейна к призывам отказаться от самой теории относительности. Кузнецов писал, что истинно материалистическое понимание физических законов тел, движущихся с высокими скоростями, приведет к развенчанию эйнштейновской специальной теории относительности (СТО) и к развитию существенно другой физической теории[22]. Однако единственной альтернативой, которую могли предложить Кузнецов и Штейнман, был возврат к дорелятивистской интерпретации лоренцовских сокращений в рамках абсолютного пространства и времени. В статье, опубликованной за несколько месяцев до смерти Сталина, В. А. Фок назвал этот подход попыткой отрицания наиважнейших достижений в физике XX в.[23] Согласно Фоку, как специальная теория относительности, так и квантовая механика были «блестяще подтверждены» экспериментально и, в свою очередь, сами были подтверждениями диалектического материализма[24].

Фок защищал релятивистскую физику в рамках интеллектуальной системы диалектического материализма. Еще в 30-х годах он писал о физике и философии в главном советском философском журнале[25]. Для защиты релятивистской физики в политической атмосфере сталинской России не было иного выбора, чем диалектико-материалистический подход. Однако отсюда не следует делать поспешный вывод, будто попытки Фока и других солидарных с ним естествоиспытателей развить новое диалектико-материалистическое понимание природы были просто притворными или тактически обусловленными. Многие из них продолжали писать о философии и естествознании многие годы и после сталинского периода. Спустя 20 лет после смерти Сталина Фок все еще публиковал интересные работы по диалектическому материализму и теории относительности. Очевидно, есть причины считать, что некоторые советские естествоиспытатели, как Фок, однажды идейно соприкоснувшись с диалектическим материализмом, решили, что наиболее важные его принципы созвучны их собственным и что диалектический материализм имеет большие возможности для развития.

Интерпретация теории относительности Фока — Александрова иногда подавалась как единая схема, неразделимая на части, за каждую из которых несет ответственность один из авторов. Этот единый подход не является, однако, наиболее показательным. Александров и Фок поддерживали друг друга, и по главным пунктам их взгляды не вступали в противоречие, /356/ но каждый из них следовал несколько иным путем и делал акцент на разные части теории относительности. Александров сфокусировал свое внимание на интерпретации СТО, а Фок уделял внимание общей теории относительности (ОТО). Более того, Александров исследовал проблемы определения пространственной и временной конгруэнтности и одновременности более тщательно, чем Фок, который, как и многие физики, уделял этой теме — жизненно важной с точки зрения философии науки — недостаточно внимания[26]. В результате различных подходов Александров был более уязвим для критики со стороны тех философов, которые отказывались принять тот взгляд, что пространство и время обладают внутренней метрикой, предшествующей принятию конвенций. Фок был менее уязвим, так как он не столь откровенно выражался по вопросам метрики. Поэтому я буду рассматривать Фока и Александрова раздельно.

1. См. обсуждения в: Mikular M.W. Relativily Theory and Soviet Communist Philosophy (1922-1960). Ph. D. dissertation Рh. Columbia University. 1965 и Joravsky D. The «Crisis» in Physics в его книге «Soviet Marxism and Natural Science, 1917-1932». Р. 275-295. Диалектико-материалистические философы знали о проблемах интерпретации, вызванных современным развитием физической теории, и в нескольких случаях указывали в 20-х годах на опасность «махизма» в физике. В 1930 г. А. М. Деборин читал официальную речь в АН СССР под названием «Ленин и кризис в современной физике». Однако физики не казались озабоченными. См. работу под редакцией В. П. Волгина «Отчет о деятельности Академии наук СССР за 1929 год». Л., 1931. Т. 1. Приложение. Известным физиком, который противостоял теории относительности от имени диалектического материализма, был А. К. Тимирязев; некоторыми из тех естествоиспытателей, кто в какой-то степени защищал ее от того же имени, были А. Ф. Иоффе, И. Е. Тамм и О. Ю. Шмидт, каждый из которых обладал выдающимся научным талантом.

2. Семковский С. Ю. Диалектический материализм и принцип относительности. М.; Л., 1926. С. 9, 11.

4. Joravsky D. The «Crisis» in Physics. Р. 275-276.

5. Цит. в работе: Семенов А. А. Об итогах обсуждения философских воззрений академика Л. И. Мандельштама//Вопросы философии. 1953. № 3. С. 200; Мандельштам Л. И. Полн. собр. трудов. М., 1950. Т. 5. С. 178.

Читайте также:  Можно ли при вич делать лазерную коррекцию зрения

6. Папалекси Н. Д. и др. Курс физики. М.; Л., 1948. Т. 2. С. 539. А. Д. Александров критиковал этот взгляд в своей работе «Теория относительности как теория абсолютного пространства-времени»//Философские вопросы современной физики. М., 1959. С. 284.

7. Жданов А. А. Выступление на дискуссии по книге Г. Ф. Александрова «История западноевропейской философии» 24 июня 1947. М., 1947. С. 43.

8. Как пример крайней вульгарности в критике теории относительности см.: Максимов А. А. Против реакционного эйнштейнианства в физике//Красный флот. 1952. 23 июня. С. 1. Максимов в свое время был более позитивно настроен по отношению к Эйнштейну и теории относительности, однако он утверждал, что необходимо перестроить философскую основу теории относительности. См. он же. Теория относительности и материализм//Под знаменем марксизма. 1923. № 4-5. С. 140-156. Другим примером упрощенной оппозиции было утверждение И. В. Кузнецова: «Разоблачение реакционного эйнштейннанства в области физической науки — одна из наиболее актуальных задач советских физиков и философов». См.: Кузнецов И. В. Советская физика и диалектический материализм// Философские вопросы современной физики. М., 1952. С. 47.

9. Относительно объективным был взгляд Наана в статье «К вопросу о принципе относительности в физике»//Вопросы философии. 1951. № 2. С. 57-77. Позиция Наана критиковалась множеством авторов, как это будет показано. Критика Наана редакцией содержится в материале «К итогам дискуссии по теории относительности»//Вопросы философии. 1955. № 1. С. 138.

10. См.: Максимов А. А. Борьба за материализм в современной физике//Вопросы философии. 1953. № 1. С. 194.

11. См.: Наан Г. И. Современный «физический» идеализм в США и Англии на службе поповщины и реакции//Вопросы философии. 1948. № 2. С. 294. Наан основывал свою критику Франка на работе последнего «Основания физики» и его статьях, далее критиковал книгу Бертрана Рассела «История западной философии» за ее «сенсуализм» и также замечания Дж. Джинса об «исчезновении» материи.

12. Омельяновский М. Э. Фальсификаторы науки. Об идеализме в современной физике//Вопросы философии. 1948. № 3. С. 143-162; Максимов А. А. Марксистский философский материализм и современная физика//Там же. С. 105-124; Штейнман Р. Я. О реакционной роли идеализма в физике//Там же. С. 163-173. Омельяновский направил свою критику против сочинения Карнапа «The Logical Sentax of Language» (1937). Омельяновский рассматривал Эйнштейна как «материалиста», но не как «диалектического материалиста»; за эту позицию его критиковал М. М. Карпов, для которого Эйнштейн был последовательным идеалистом. См.: Карпов М. М. О философских взглядах А. Эйнштейна//Вопросы философии. 1951. № 1.С. 130-141.

13. См.: Омельяновский М. Э. Фальсификаторы науки. С. 144, 155. Франк включил главу «Логический эмпиризм и философия в Советском Союзе» в свою книгу «Between Physics and Philosophy» (Cambridge, 1941).

14. Максимов А. А. Марксистский философский материализм и современная физика. С. 114.

16. См.: Курсанов Г. А. Диалектический материализм о пространстве и времени // Вопросы философии. 1950. № 3. С. 186 и др.

17. Эйнштейн замечал в написанном на смерть Маха в 1916 г. некрологе: «Он считал, что все науки объединены стремлением к упорядочению элементарных единичных данных нашего опыта, названных им «ощущениями». Этот термин, введенный трезвым и осторожным мыслителем, часто из-за недостаточного знакомства с его работами путают с терминологией философского идеализма и солипсизма. Я должен сказать, что мне, прямо или косвенно, особенно помогли работы Юма и Маха. Мах ясно понимал слабые стороны классической механики и был недалек от того, чтобы прийти к общей теории относительности. И это за полвека до ее создания! Весьма вероятно, что Мах сумел бы создать общую теорию относительности, если бы в то время, когда он еще был молод духом, физиков волновал вопрос о том, как следует понимать постоянство скорости света». См.: Эйнштейн А. Эрнст Мах//Собр. науч. трудов. М., 1967. Т. 4. С. 29-32.

18. Сторчак Л. И. Значение идей Лобачевского в развитии представлений о пространстве и времени//Вопросы философии. 1951. № 1. С. 147.

19. Другой попыткой подменить Маха Лобачевским была статья Маркова Н. В. «Значение геометрии Лобачевского для физики»//Философские вопросы современной физики. М., 1952. С. 186-215.

20. Наан цитируется в: Comey D.D. Controversies Over Relativity// The State of Soviet Science. Cambridge, 1965. Р. 191. См. также: Штерн В. К вопросу о философской стороне теории относительности; Блохинцев Д. И. За ленинское учение о движении; Курсанов Г. А. К критической оценке теории относительности//Вопросы философии. 1952. № 1. С. 169-174, 175-181, 181 — 183. Взгляды Штерна полнее излагаются в его книге «Erkenntnistheoretische Probleme der Modernen Physik» (В., 1952). Упрощенный взгляд Штерна на относительность позже основательно критиковался Кардом П. Г. (О теории относительности//Вопросы философии. 1952. № 5. С. 240-247), но в то же время Кард положительно отзывался об усилиях Блохинцева сохранить понятие абсолютного пространства. См.: Блохинцев Д. И. За ленинское учение о движении. Блохинцев полагал, что любая большая и более инерциальная система отсчета являлась улучшением предыдущей в результате ее обладания относительным зерном истины. Сравните этот взгляд с ленинским утверждением об абсолютной и относительной истине в «Материализме и эмпириокритицизме»: «Итак, человеческое мышление по природе своей способно давать и дает нам абсолютную истину, которая складывается от суммы относительных истин. но пределы истины каждого научного положения относительны, будучи то раздвигаемы, то суживаемы дальнейшим ростом знания» (Ленин В. И. Полн. собр. соч. Т. 18. С. 137).

21. См.: Кузнецов И. В. Цит. произв.; Штейнман Р. Я. За материалистическую теорию быстрых движений.

22. Кузнецов И. В. Цит. Произв. С. 72.

23. См.: Фок В. А. Против невежественной критики современных физических теорий // Вопросы философии. 1953. № 1. С. 174.

25. См. сноску 2. С. 320.

26. Так, Фок мимоходом отмечал, что заявление о том, что скорости света равны «туда и обратно», является «естественным» допущением. Но придание коэффициенту любого значения от 0 до 1 в широко известном уравнении t 2 = t 1 + e (t 3 -t 4 ) является конвенциональным. По всей теме конгруэнтности Фок соглашался с Александровым в том, что точное значение х, у, z и t может быть получено из закона распространения волнового фронта. Они не даются a priori. См.: Фок В. А. Теория пространства, времени и тяготения. М., 1961.

Что такое время?

Несмотря на то, что явление времени кажется интуитивно понятным и является фундаментальным понятием в философии и науке, точное определение времени до сих пор не сформировано. В данной статье мы рассмотрим несколько основных концепций времени с точки зрения науки.

Классическая физика

Классическая физика сложилась до возникновения теории относительности Эйнштейна и квантовой теории. Согласно классической концепции времени, время – непрерывная величина, которая не определяется чем-либо и является априорной характеристикой мира. Время – основное условие протекания каких-либо процессов в мире. Такое время одинаково течет для всех процессов и во всех точках мира, при этом нет ничего, что способно повлиять на ход времени. Несмотря на то, что тела и процессы могут ускоряться и замедляться, течение времени равномерно. В связи с этим с точки зрения классической физики время называют абсолютным. Эти свойства времени описал Исаак Ньютон в своем труде «Математические начала натуральной философии» 1687-го года.

«Математические начала натуральной философии» Исаака Ньютона

В классической механике переход от одной системы отсчета (инерциальной) к другой описывается так называемыми преобразованиями Галилея. Уравнения механики Ньютона по отношению к данным преобразованиям являются инвариантными, из чего выплывает абсолютность времени.

Следует отметить, что в классической физике для времени не выделяется определенная ось, так как в рамках данной концепции течение времени в обратную сторону равносильно обычному его течению.

Термодинамика

В отличие от классической физики, термодинамика утверждает, что время необратимо в силу второго закона термодинамики. Согласно этому закону существует некоторая функция состояния – энтропия, которая не убывает в любых процессах в замкнутых системах. Если бы время могло идти в обратном направлении, энтропия бы в таких системах уменьшалась, что противоречит вышеизложенному закону.

Термодинамика отличается жестким требованием существования оси времени.

Квантовая механика

В большинстве своем концепция времени в рамках квантовой механики схожа с интерпретацией классической физики, то есть время течет равномерно. Однако, основным отличием данного определения является необратимость времени. Это связано с тем, что процесс измерения несимметричен во времени. Измерение в данный момент даст информацию о состоянии объекта в прошлом, но в будущем даст новое состояние.

Релятивистская физика (теория относительности Эйнштейна)

Наиболее популярной концепцией времени сегодня является определение времени в рамках теории относительности Эйнштейна.

Альберт Эйнштейн на пляже (1939 г.), вероятно думает о физике

Прежде всего следует отметить основные постулаты данной концепции:

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, которые движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно.

2. Физические законы одинаковы во всех системах координат, которые движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно.

3. Любое событие может влиять лишь на события, которые происходят позже него и не влияет на события, которые происходят раньше него.

Исходя из вышеупомянутых постулатов, можно утверждать, что события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, могут быть не одновременны в другой системе отсчета, движущейся относительно первой системы отсчета. Таким образом, в рамках данной концепции ход времени зависит от движения выбранной системы отсчета. Проще говоря, скорость хода часов зависит от того, кто их носит.

Интереснейшим аспектом данной теории является влияние гравитации на течение времени. В рамках данной концепции пространство и время являются несамостоятельными частями одного пространственно-временного континуума. Тогда вблизи массивных объектов искажается не только пространство, но и изменяется скорость течения времени

Искривление пространства-времени как результат гравитационного возмущения (см. четвертое изображение).

В релятивистской физике время определяется как четвертая координатная ось системы координат, три другие оси которой представляют три пространственные координаты «нашего трехмерного мира». Таким образом каждое тело имеет так называемую мировую линию. Если рассматривать данное тело в упомянутой четырехмерной системе координат, то оно будет представляться протяженным множеством этих тел. То есть в каждый момент времени своего существования тело будет наноситься на четырехмерную систему координат, в зависимости от его пространственного, а также временного положения.

Мировая линия человека (упрощенно), где X и Y — две пространственные координаты, а T — временная координата (см. пятое изображение).

Что же такое время?

Исходя из сказанного выше, становится ясно, что человечеству совершенно неясно, что такое время. Перечисленные здесь теории лишь пытаются математически (и геометрически) определить время, как нечто, что может использоваться в дальнейших расчетах для объяснения наблюдаемых явлений.

Опираясь на постулаты, выплывающие из основных концепций времени, можно попытаться сформулировать следующее субъективное определение:

«Время – априорный геометрический параметр, который характеризирует движение, определяет длительность существования всех процессов, есть условие существования изменения. Является неотъемлемой частью пространственно-временного континуума, есть его четвертая координата наряду с тремя пространственными. Время способно искривляться в результате гравитационного возмущения, при этом является необратимым. Данное явление относительное и зависит от выбора системы отсчета и ее скорости. Подчиняется постулату причинности, согласно которому любое событие может влиять лишь на события, которые происходят позже него и не влияет на события, которые происходят раньше него».

Картина Сальвадора Дали «Постоянство памяти» 1931 г. (см. шестое изображение).

Данное явление невозможно представить в уме, а потому ученые со всего мира пытаются объяснить его математически, что пока остается непосильной задачей и вызывает множество разногласий в научном сообществе. Если же ученому задать вопрос «Что такое время?», то скорее всего в ответ Вы услышите – «Это то, что измеряется часами».

Источники:
  • http://wikiredia.ru/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B8%D1%81%D1%82%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0
  • http://scepsis.net/library/id_1658.html
  • http://znaxar.com/articles/21915-chto-takoe-vremja.html