Переворот в представлениях о пространстве и времени

Альберт Эйнштейн

Макс фон Лауэ, автор первой монографии по теории относительности, вышедшей в 1911 году, указывал позднее в своей "Истории физики" на то, что с античных времен наибольшее волнение у людей вызывали те физические теории, которые посягали на традиционные представления о пространстве и времени. Именно поэтому работы Эйнштейна по этим проблемам привлекли к себе столь необычно большое внимание. Были опубликованы тысячи книг и брошюр, авторы которых выступали как в защиту теории относительности, так и против нее.

Исследования Эйнштейна по теории относительности открывались статьей "К электродинамике движущихся тел" объемом в 30 печатных страниц, опубликованной в 1905 году в журнале "Аннален дер физик". Именно эту статью и следует считать фактическим "свидетельством о рождении" теории относительности. В том же 1905 году в упомянутом журнале появилось существенное дополнение к первой статье. Статья носила название "Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?" Обе эти статьи вошли в опубликованный в 1913 году томик "Принцип относительности", представлявший собой сборник основополагающих документов по истории теории относительности.

Каково было положение в физике с теми вопросами, которые рассматривал Эйнштейн в своих исследованиях по теории относительности?

В 19 столетии первоначально господствовала механическая теория света. Согласно этой теории, свет представляет собой волновое движение некоторой упругой среды, которую называли световым эфиром, или просто эфиром. Предполагалось, что эфир проникает через все тела, не принимая, однако, участия в их движении. Поскольку с течением времени стало все труднее согласовывать новые результаты исследований в области оптики с механической гипотезой эфира, физики решили трактовать свет как некое особое "состояние" эфира. Такое состояние предлагалось рассматривать как электромагнитное силовое поле, которое было введено в науку Фарадеем и описано Максвеллом с помощью удивительной системы абстрактных математических уравнений.

Учение о световом эфире было тесно связано с взятым из "Механики" Ньютона представлением об "абсолютном пространстве". Ньютон писал: "Абсолютное пространство остается в силу своей природы и безотносительно к какому-либо внешнему предмету всегда одинаковым и неподвижным".

В соответствии с представлением о неподвижном световом эфире его считали как бы воплощением "абсолютного пространства" и рассматривали как абсолютную систему отсчета. В такой системе можно было бы однозначно описывать все происходящие в мире движения, указывая абсолютное положение тел.

Кроме того, Ньютон придерживался мнения, что существует и "абсолютное время". Он писал: "Абсолютное, истинное и математическое время течет само по себе и в силу своей природы равномерно и безотносительно к какому-либо внешнему предмету".

Согласно этому воззрению, существует равномерное течение времени. Следовательно, можно представить себе, что во Вселенной имеется нечто вроде "нормальных часов", позволяющих отсчитывать ход этого "абсолютного времени" из любого места. Наконец, в соответствии с представлениями об "абсолютном пространстве" и "абсолютном времени" Ньютон говорил и об "абсолютном движении"; он определял его как "перемещение тела из одного абсолютного места в другое абсолютное место".

Несмотря на возражения, высказывавшиеся в свое время Лейбницем, ньютоновское представление об абсолютности времени, пространства и движения считалось неоспоримым на протяжении двухсот лет. Ни один физик не мог серьезно помыслить и тем более отважиться поставить под сомнение принципы Ньютона.

Первым, кто выступил с критикой этих принципов, был Эрнст Мах. В своей "Механике" он подверг нападкам взгляды Ньютона на абсолютное время, абсолютное пространство и абсолютное движение и попытался их опровергнуть. Критикуя ньютоновские догмы, Мах руководствовался положением, что "чувственно необнаруживаемое" лишено для естествознания какого-либо значения и не имеет права на существование. Требование, заключающееся в том, что в естественнонаучное рассмотрение следует вовлекать только наблюдаемые величины и не применять законы физики за пределами той области, в которой они имеют смысл, играло для молодого Эйнштейна важную эвристическую роль в период его работы над теорией относительности.

В экспериментальной физике ньютоновские догмы о пространстве, времени и движении также оказались поставленными под сомнение. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 километров в секунду. Наша Солнечная система летит в мировом пространстве со скоростью около 20 километров в секунду. Наконец, наша Галактика также со значительной скоростью движется относительно других, удаленных от нее галактик. Следовательно, если световой эфир покоится в "абсолютном пространстве", а небесные тела проходят через него, то их движение по отношению к эфиру должно вызывать заметный "эфирный ветер", который можно было бы обнаружить с помощью тонких оптических приборов.

Для выяснения этого вопроса американский физик польского происхождения Альберт Майкельсон, работавший в 1881 году у Гельмгольца в Берлине и Потсдаме, поставил свой первый эксперимент. Его отрицательный результат еще нельзя было считать вполне убедительным, поскольку экспериментальная установка в то время обладала некоторыми дефектами. Через шесть лет, находясь в США, Майкельсон совместно с Морли повторил этот эксперимент с помощью разработанного им и изготовленного с большой точностью зеркального интерферометра. Новая измерительная установка была настолько прецизионной, что могла бы отчетливо зарегистрировать даже самый незначительный эффект, обусловленный "эфирным ветром". Однако и на этот раз, так же как и при всех последующих попытках повторения опыта, ничего похожего на подобный эффект обнаружено не было. Скорость света оказалась совершенно постоянной и не зависящей от движения источника света и наблюдателя. "Опыт Майкельсона", один из самых знаменитых экспериментов в истории физики, имел фундаментальное значение для теории относительности, что подтверждал сам Эйнштейн, восхищавшийся экспериментальным искусством Майкельсона.

Отрицательный результат эксперимента Майкельсона опровергал существование эфира. Первоначально делались попытки согласовать укоренившуюся в сознании физиков гипотезу эфира с фактом постоянства скорости света и таким образом "спасти" эфир. Так, например, голландский физик Г.А.Лоренц в 1895 году, то есть за десять лет до Эйнштейна, пытался согласовать результат опыта Майкельсона с механистической картиной мира с ее световым эфиром и "абсолютным пространством". Для этого он ввел предположение, что быстро движущиеся тела испытывают сокращение в направлении своего движения ("сокращение Лоренца"). Это было хотя и очень остроумное, но все же достаточно искусственное допущение, которое явно имело характер специально придуманной для данного случая гипотезы и потому не могло надолго удовлетворить физиков-теоретиков.

Результаты опыта Майкельсона создали для теоретиков логические трудности, которые казались непреодолимыми. Это был своего рода неразрешимый гордиев узел. Молодой Эйнштейн разрубил его.

Еще школьником, читая "Естественнонаучные книги для народа", Эйнштейн обратил внимание на ту роль, которую играет скорость света. Со времени своего пребывания в Аарау он много размышлял о том, какую картину видел бы наблюдатель, если бы он мог следовать за световой волной со скоростью света. Этот первый мысленный эксперимент в сочетании с электродинамикой Максвелла, отрицательным результатом опыта Майкельсона и маховской критикой основ механики Ньютона лег в основу теории относительности. В своей автобиографии Эйнштейн следующими словами охарактеризовал отправную точку этих исследований: "Необходимо было составить себе ясное представление о том, что означают в физике пространственные координаты и время некоторого события".

Анализ роли времени непосредственно привел к исследованиям по теории относительности. Эйнштейн начал с изучения понятия одновременности. Полученные им результаты могут быть резюмированы следующим образом.

Если бы передаваемые сигналы могли распространяться с бесконечно большой скоростью, то с научной точки зрения имело бы полный смысл говорить об абсолютной одновременности событий, происходящих в двух удаленных друг от друга точках. Но так как скорость света, представляющая собой максимальную скорость передачи сигналов, все же конечна и притом имеет одну и ту же величину для всех наблюдателей, понятие "абсолютной одновременности" лишено физического смысла и потому не может применяться в теории.

Поскольку все суждения, в которых какую-то роль играет время, всегда представляют собой суждения об одновременных событиях, введение представления об относительном характере понятия одновременности с логической необходимостью влечет за собой и релятивизацию понятия времени. Если невозможна абсолютная одновременность, то не может существовать и абсолютное время, одинаковое во всех системах координат. Каждая система отсчета имеет свое собственное время, свое "локальное время". Ключевым моментом всей проблемы, как отметил впоследствии Эйнштейн, было постоянство скорости света в пустом пространстве. Признав это постоянство, которое было доказано опытом Майкельсона, уже нельзя было избежать релятивизации времени.

Учение Эйнштейна о времени было совершенно новым словом в науке. Ни один физик или философ до него не размышлял так глубоко о понятии одновременности и не пришел к столь далеко идущим выводам. Руководствуясь требованием Маха о том, что понятия и величины, не имеющие физического смысла, не должны фигурировать в теории, поскольку они принципиально не могут быть проверены на опыте, Эйнштейн пришел к выводу о необходимости отказа от ньютоновского понятия "абсолютного времени".

Так как время и движение тесно связаны друг с другом - время, как говорил Маркс, есть "количественное бытие движения", - в результате признания относительности понятия времени устраняется также и понятие "абсолютного движения". Движение тела или системы отсчета можно сравнивать лишь с движением другого тела или другой системы отсчета и только по отношению к ним можно численно его определять. "Абсолютного движения" не существует. "Специальный принцип относительности" Эйнштейна утверждает, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу прямолинейно и равномерно, действуют одни и те же законы природы. При переходе от одной системы отсчета к другой пространственные и временные координаты преобразуются в соответствии с особыми уравнениями, которые называются преобразованиями Лоренца.

Созданная в 1905 году теория относительности привела к тому, что гипотеза эфира как носителя световых волн была устранена из физической картины мира. Как позднее писал Эйнштейн, световой эфир и без того влачил "призрачное существование" в физической науке. Эйнштейн заменил эфир электромагнитным полем, которое он рассматривал как самостоятельную физическую реальность. Это также было смелым нововведением. Правда, уже до него французский физик Пуанкаре предлагал отказаться от гипотезы эфира, но он не положил это требование в основу новой картины природы. "Безэфирная физика" была создана Эйнштейном.

Однако произведенный теорией Эйнштейна переворот в оптике не сразу получил признание. Многие известные физики еще долго не могли примириться с отказом от гипотезы светового эфира. Даже Лоренц, который внес столь значительный вклад в подготовку специальной теории относительности, до самой своей смерти, последовавшей в 1928 году, не мог полностью примириться с мыслью о том, что эфира как носителя световых явлений не существует.

Сегодня гипотеза светового эфира стала в такой же степени достоянием истории физики, как, например, учение о флогистоне, или особой "огненной субстанции", уходящей из тел при их сгорании. Подобно другим рабочим гипотезам, которые на протяжении определенного времени выполняли свою задачу и служили делу научного исследования, она была сдана в музей научных заблуждений.

Устранение гипотезы светового эфира было гениальным актом отрицания. Позитивным же моментом в теории Эйнштейна была прежде всего формулировка принципа, согласно которому скорость света в пустоте (обозначаемая буквой c) вводилась в качестве универсальной постоянной во все основные физические законы.

Эйнштейн первый заметил, что скорость света играет в механике такую же важную роль, как и в оптике. Скорость света выступает здесь как недостижимый верхний предел скоростей для всех процессов, сопровождающихся передачей силы или переносом энергии. Скорость этих процессов никогда не может достичь скорости света и тем более превзойти ее - даже в том случае, когда к начальной скорости добавляется сколь угодно большое число скоростей.

Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых "парадокса" теории относительности, которые привлекли к себе очень большое внимание и в течение многих лет являлись предметом горячих споров. Физики и философы, которые были не в состоянии избавиться от традиционных механистически-метафизических представлений, либо яростно возражали против этих "бессмысленных" следствий теории относительности, либо высмеивали их. Но даже тем, кто был готов следовать за Эйнштейном в его необычных рассуждениях, подчас было нелегко соглашаться с ним.

Один из парадоксов заключается в том, что размеры быстро движущихся тел сокращаются в направлении их движения по сравнению с их длиной в состоянии покоя. Именно эта проблема, возникшая в связи с результатом опыта Майкельсона, побудила Лоренца выдвинуть его электродинамическую гипотезу сокращения. Эйнштейн показал, что сокращение можно объяснить, рассматривая относительную скорость движения обеих систем отсчета.

Другой парадокс касается замедления хода часов в быстро движущейся системе по сравнению с часами, находящимися в системе, покоящейся по отношению к первой. Здесь речь идет о "дилатации" времени, которую называют также растяжением или искажением времени. Из нее, например, должно следовать, что космонавт в космическом корабле, который в течение длительного времени с очень большой скоростью летит через Вселенную, при своем возвращении на Землю окажется моложе своего брата-близнеца, остававшегося все это время дома. Это объясняется тем, что часы космонавта, а вместе с ними и все физиологические процессы идут медленнее, чем часы (и соответственно аналогичные процессы) на Земле. Разумеется, для того чтобы можно было заметить "парадокс часов" (или "парадокс близнецов"), скорость движения космического корабля должна быть достаточно близка к скорости света - условие, которое в современной космонавтике не выполняется даже отдаленно.

Пока отсутствовали экспериментальные доказательства релятивистского растяжения времени, существование этого явления оспаривалось особенно горячо. В конце 1930-х годов оно, однако, было бесспорно установлено в опытах с возбужденными водородными атомами. Но с особой убедительностью оно было доказано позднее при изучении космических лучей, где частицы движутся с чрезвычайно большими скоростями и поэтому растяжение времени достигает сравнительно больших значений.

Специальная теория относительности Эйнштейна (1905 год) означала конец механистической картины природы. Она представляет собой один из величайших переворотов в истории естествознания и одновременно торжество диалектики в основах физической науки. Эйнштейн "снял" в диалектическом смысле механистически-метафизическое представление о времени и движении, нашедшее выражение в классических законах движения Ньютона. Теперь ученые рассматривают законы Ньютона как предельные законы для скоростей, малых по сравнению со скоростью света. Метафизическое мировоззрение Ньютона, которое в свое время было необходимым и оправданным, столкнулось в ходе физического прогресса с непреодолимыми трудностями. Силой своего диалектического мышления Эйнштейн преодолел эти трудности и наметил пути дальнейшего развития физики. Его заслуги нисколько не умаляет то обстоятельство, что другие исследователи еще до него разработали формально-математические решения назревших проблем электродинамики движущихся тел.

Лишь немногие физики смогли сразу же понять, что теория Эйнштейна представляет собой гениальное открытие. К их числу принадлежал Макс Планк - первый известный теоретик того времени, который оценил эпохальное значение статьи Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел". "Эйнштейновская концепция времени, - так заявил Планк в одной своей лекции, - превосходит по смелости все, что до этого было создано в умозрительном естествознании и даже в философской теории познания". Однако многие выдающиеся специалисты, в особенности среди физиков-экспериментаторов, еще долгое время относились к учению Эйнштейна с недоверием.

Математическое завершение специальная теория относительности получила в работах Германа Минковского, который ранее был учителем Эйнштейна в Цюрихе, а затем занимал пост профессора математики в Геттингене, где он умер в 1909 году, будучи еще в полном расцвете сил. В своем вызвавшем сенсацию докладе о пространстве и времени, прочитанном им осенью 1908 года на собрании естествоиспытателей в Кельне, Минковский сказал: "Представления о пространстве и времени, которые я собираюсь развить перед вами, выросли на почве экспериментальной физики. В этом заключается их сила. Они приведут к радикальным следствиям. Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоятельное существование".

С тех пор четырехмерный континуум пространства-времени, так называемый "мир Минковского", стал неотъемлемой частью теории относительности.

Фридрих Гернек, 1984 год