Время и современная физика - Зайцева Г.А.
Скачать (прямая ссылка):
111
можно сказать, что Солнце не неподвижно, а движется по отношению к неподвижной Земле).
Сколь глубока была физическая интуиция, позволившая Галилею утверждать, что правильнее говорить: Земля не неподвижна, а движется и вращается. Первооткрыватель закона инерции неявно ссылался на инерциальное движение центра тяжести Солнечной системы, который из-за огромного преобладания массы Солнца практически совпадает с центром этого небесного тела. Мы видим, что Галилей предвосхитил Эйнштейна и открытие четырехмерного пространства-времени в истории человечества несомненно является такой же выдающейся вехой, как установление шарообразности Земли и ее вращения вокруг Солнца.
В последнем отступлении от темы мы хотели бы показать, что произошло со старыми принципами абсолютной пространственной системы отсчета и относительного движения.
Специальный принцип относительности динамики, надлежащим образом переработанный Лоренцем, Пуанкаре и Эйнштейном, превратился в универсальный принцип физики. Благодаря ему было открыто четырехмерное пространство-время Минковского. Однако старый принцип относительного движения не исчез бесследно, а уступил место своему преемнику — общему принципу относительности, согласно которому все системы координат, однозначно характеризующие пространство-время, при описании движения оказываются эквивалентными. Что касается чрезвычайно упрощенного принципа абсолютной пространственной системы отсчета, который некогда считался лишенным каких-либо оснований, то в совершенно иной форме он б,ыл возрожден в связи с развитием космологии. Теперь представляется возможным определить в глобальном масштабе универсальную привилегированную космическую систему отсчета для пространства и времени. Наконец-то, после многовековых дискуссий, все три принципа относительности существуют совместно.
Нас интересует сейчас специальный принцип относительности Эйнштейна, и в первую очередь необходимо обратить внимание на его тесную связь с законом инерции Галилея,
112
Возьмем простейший случай, когда в качестве динамических часов рассматривается свободная материальная точка. Закон инерции Галилея утверждает, что движение этой материальной точки должно быть прямолинейным и равномерным: мы имеем здесь дело с конкретизацией в чистом виде часов Аристотеля, в которых время и пространство тесно связаны друг с другом через посредство движения (локальное движение Аристотеля).
Очень важно уяснить себе, что закон инерции Галилея, строго говоря, не имел бы никакого смысла, если бы с ним не были связаны два следующих определения:
1. Определение множества эквивалентных привилегированных галилеевых пространственных систем отсчета, равномерно перемещающихся одна относительно другой.
2. Определение галилеева масштаба времени. На самом деле движение не может быть одновременно прямолинейным и равномерным, если: а) одна из двух твердых пространственных систем отсчета вращается по отношению к другой или движется с ускорением; б) два масштаба времени связаны между собой какой-либо монотонной функцией.
Отметим вкратце, что здесь прекрасно иллюстрируются два эпистемологических закона, высказанных Дюге-мом и Пуанкаре. Из опытного открытия строго не вытекает какой-либо закон, гипотеза или принцип, но опыт является наводящим указанием (в данном случае это относится к закону инерции). Любой постулат в конечном итоге оказывается связанным с системой определений.
Установив, таким образом, что динамике полностью чужда так называемая абсолютная пространственная система отсчета, классическая физика попыталась открыть такую систему с помощью оптики. Но поскольку предполагалось существование эфира — переносчика световых колебаний,—то'естественно появилась мысль об отождествлении этой идеальной материальной среды с абсолютной пространственной системой отсчета. Таким образом, с самого начала исследования устанавливается существенная связь между двумя науками о движении без вещества— кинематикой и оптикой. Эта связь нашла удивительное и блестящее подтверждение в специальной теории относительности и в ее духовной дочери — волновой механике, где проявились глубокие связи между волновой
113
теорией, с одной стороны, и кинематикой и даже динамикой — с другой.
Серия экспериментов, касающихся этой новой проблемы, проводилась в два этапа. Первый этап, начало которому положил Араго в 1818 году, посвящен эффектам первого порядка относительно малой величины ? = u/c; второй этап, начало которому положили Майкельсон и Морли в 1887 году, относится к эффектам второго порядка по ?. В обоих случаях теория ответила на «отрицательный» результат эксперимента соответствующей формулой, которая оказалась не только более совершенной, но и универсальной, то есть не зависящей от частных свойств используемой материи: мы имеем в виду формулу увлечения эфира, предложенную Френелем в 1818 году, и формулу сокращения длины материальных тел под влиянием эфирного ветра, предложенную Фицджеральдом и Лоренцем в 1895 году.
Эпистемологический недостаток, связанный с выводом той и другой формулы, заключается в том, что «эфирный ветер» использовался лишь для получения окончательного ^результата; при этом одновременно принималось существование эфира и устанавливалась абсолютная невозможность его опытного обнаружения. Чтобы преодолеть эту чрезвычайно неприятную трудность, необходимо было прибегнуть как к эпистемологическим, так и к техническим средствам.
