Кузнецов Б. Г. Эйнштейн. Жизнь. Смерть. Бессмертие. 5-е изд

Вид материала

Подобный материал:

1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 ... 62

Критерии "внешнего оправдания" и "внутреннего совершенства" были применены (задолго до того, как они получили эти названия и даже были осознаны в сколько-нибудь четкой форме) к классической механике как основе физики.

Характеризуя состояние физики в те годы, когда он учился, Эйнштейн пишет:

"Несмотря на то, что в отдельных областях она процветала, в принципиальных вещах господствовал догматический застой. В начале (если такое было) бог создал ньютоновы законы движения вместе с необходимыми массами и силами. Этим все и исчерпывается; остальное должно получиться дедуктивным путем, в результате разработки надлежащих математических методов" [1].

1 Эйнштейн, 4, 265.

Речь идет отнюдь не о догматической концепции сводимости всех закономерностей мира к законам ньютоновой механики. XIX столетие разрушило эту концепцию. В теории тепла, в теории электричества и света были найдены специфические закономерности, и никто уже

80

всерьез не думал о лапласовском всеведущем существе, знающем положения и скорости всех частиц во Вселенной, как об идеале познания природы. Догматической была другая мысль. Большинство естествоиспытателей было абсолютно уверено в возможности вывести всю сумму физических знаний из ньютоновых законов и не прийти при этом к каким-либо серьезным противоречиям. Эта мысль о ньютоновой механике как о раз навсегда данной основе физики не была поколеблена теориями XIX в. В конце столетия уже знали, что в сложных проблемах физики простая схема перемещения частиц не дает подлинного истолкования фактов. Поведение большого ансамбля движущихся молекул требует для своего объяснения таких чуждых механике понятий, как вероятность состояний, необратимый переход от менее вероятных состояний к более вероятным и т.д. Но это нисколько не колеблет убеждения, что все сложные формы движения в последнем счете связаны с перемещением тех или иных тел, целиком и с абсолютной точностью подчиняющихся законам Ньютона.

Таким образом, когда Эйнштейн говорит о механике как основе физики, он имеет в виду отнюдь не тот механицизм, который появился в XVII в., достиг наибольшего преобладания в науке в следующем столетии и был разбит великими открытиями XIX столетия. Схема сведения всех закономерностей мира к механике была уже достаточно старомодной в конце столетия, и Эйнштейн имел в виду более широкое и общее понятие "механики как основы физики", имел в виду, что за кулисами сложных закономерностей бытия, не заслоняя их и но вытесняя из картины мира, стоят ньютоновы законы перемещения и взаимодействия частиц.

Электродинамика нанесла этой точке зрения удар, заставивший в конце концов усомниться не только в применимости механического объяснения явлений к электромагнитным процессам, но и в точности самих законов механики, установленных Ньютоном и подтвержденных развитием всей практики и всей науки в течение двух столетий. На этом мы остановимся немного позже. Сейчас коснемся двух идей Ньютона, критика которых была предпосылкой пересмотра ньютоновых законов как основы физики. Первая идея - абсолютное время. Ньютон говорил о едином потоке времени, охватывающем все ми-

81 ,

роздание. Мы можем говорить о событиях, происходящих одновременно в одно и то же мгновение во всем бесконечном пространстве. Это представление об одном и том же мгновении, наступающем во всем мире, о последовательности таких общих для всего мира мгновений - абсолютном времени, протекающем во всем миро, об одновременности отдаленных событий - одно из самых фундаментальных представлений классической физики. Нам кажется, что данное мгновение охватывает всю Вселенную, мы убеждены в этом, и это убеждение кажется, вернее казалось, непреложным и незыблемым, может быть даже априорным.

Эйнштейн подошел к понятию абсолютного времени прежде всего с критерием "внешнего оправдания". Соответствуют ли этой концепции наблюдения?

Понятие времени не априорное и не условное понятие, поэтому оно может встретиться с наблюдениями, которые потребуют пересмотра логически стройной концепции. С другой стороны, понятие времени - не простая запись наблюдений; это понятие проникает в сферу объективных причин явлений; поэтому к нему нужно подойти с нефеноменологическим критерием "внутреннего совершенства". Посмотрим, что могли дать для пересмотра идеи абсолютного времени физические знания, приобретенные Эйнштейном в студенческие годы.

Если понятие абсолютного времени - не априорно-логическое понятие, то ему должны соответствовать некоторые наблюдения, позволяющие проверить его реальность. Процессом, придающим физический смысл понятию абсолютного времени, может быть действие одного тела на другое, если это действие распространяется мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Воздействие тела на удаленное от пего другое тело может быть самым различным: притяжением, толчком через посредство твердого длинного стержня, световым сигналом (одно тело светится, служит источником света, другое тело освещается, служит экраном). Достаточно, чтобы хоть одпо воздействие на удаленное тело происходило с бесконечной скоростью, и тогда понятие абсолютной одновременности получит физический смысл. Возьмем любой вид мгновенного сигнала: мгновенно переданный через твердый стержень толчок; мгновенно распространяющееся тяготение; звук, донесшийся с бесконечной скоростью; радио-

82

волну, переносящуюся с бесконечной скоростью от радиостанции к приемнику; луч света, дошедший до экрана в то же мгновение, когда зажегся фонарь. В каждом из этих случаев одновременность является физическим понятием, она может быть проверена наблюдением, которое доказывает соответствие этого понятия объективной реальности. Если сигнал передается с бесконечной скоростью, если взаимодействие тел может быть мгновенным, то событие "тело А воздействует на отдаленное от него тело 5" и событие "тело В испытывает воздействие со стороны тела А" представляют собой одновременные события.

Но в природе нет мгновенных сигналов, тела взаимодействуют с конечной скоростью. В природе нет абсолютно жестких стержней, мгновенно передающих толчок, нет мгновенно распространяющегося тяготения, мгновенных звуковых и электромагнитных волн. По мере того как выяснялась конечная скорость сигналов, по мере того как образ мгновенного действия на расстоянии вытеснялся из картины мира, концепция абсолютной одновременности теряла свое "внешнее оправдание". В конце концов она все же достигла соответствия с наблюдениями, но ценой радикальной потери "внутреннего совершенства". После этого концепция абсолютной одновременности и абсолютного времени перестала быть основой картины мира и стала рассматриваться как неточное, приближенное представление. Более подробный рассказ об этом связан с изложением оптических и электродинамических знаний конца XIX в. Мы вскоре коснемся их. До этого можно сказать несколько слов о связи идеи абсолютного времени с трактовкой трехмерной геометрии.

Уже в XVIII в. существовала мысль о мире как о четырехмерном многообразии. В самом деле, все, что мы наблюдаем в природе, происходит не только в пространстве, но и во времени. На моментальной фотографии запечатлено то, что имело место в некоторое мгновение; но в течение непротяженного мгновения ничего не происходит. Каждый знает, что нулевая но своим размерам точка не является реальным телом, как и нулевая по ширине линия и нулевая по толщине поверхность. Но существует ли реально куб с нулевой длительностью существования?

83

Подобные соображения о четырехмерном характере реального мира настолько просты и естественны, что донадобилось время для распространения иного взгляда. Этот иной взгляд опирается на понятие одновременности как физического понятия, т.е. на идею мгновенного дальнодействия. Если на моментальной фотографии изображены два тела, соединенные абсолютно твердым, мгновенно передающим толчок стержнем, или фонарь и экран, на который упал луч света в то же мгновение, когда фонарь зажегся, тогда моментальная фотография изображает нечто реально происходящее.

Мгновенное дальнодействие противоречило казавшемуся более естественным представлению о том, что каждое событие происходит через некоторое время после вызвавшего его другого события. Но множество наблюдений заставляло людей думать, будто они видят то, что происходит в то же мгновение, и даже слышат звук в то мгновение, когда он возник, слышат звук колокола в мгновение, когда он зазвонил.

Последняя из перечисленных здесь иллюзий рассеялась очень давно. Представление о мгновенном распространении света держалось до XVII в. О конечной скорости всех взаимодействий, т.е. любых сигналов, узнали только в XIX в. Вероятно, тот факт, что мы сейчас слышим звук колокола, в который ударили на несколько секунд раньше, казался когда-то "удивительным" не в меньшей степени, чем поразившее Эйнштейна движение стрелки компаса. Еще более "удивительным" казалось, что мы видим звезду, которой давно уже нет в просторах Галактики. "Бегство от удивительного" вплоть до XX в. состояло в разработке такого представления о мире, в котором конечная скорость сигналов уживалась бы с идеей абсолютной одновременности.

Такую возможность можно иллюстрировать схемой, которую впоследствии нарисовал Эйнштейн. Мы отождествляем два мгновения в двух пунктах, расположенных на большом расстоянии, когда в эти пункты приходят сигналы с одной и той же конечной скоростью из источника, находящегося на равных расстояниях от них. Примером может служить система из двух экранов и фонаря, находящегося посередине между ними. Свет достигает этих экранов в одно и то же мгновение. Если мгновение, когда осветился первый экран, и мгновение, когда осветился второй экран, отождествлены, то слова "в то же самое мгновение" уже не лишены физического смысла;

мы можем говорить об одновременности, об одном и том же мгновении в отдаленных пунктах пространства, о едином потоке времени.

Соответственно приобретает физический смысл "моментальная фотография" - пространство, взятое в один и тот же момент времени, - трехмерное, чисто пространственное многообразие. Мы увидим вскоре, что теория, в которой абсолютное время сохранялось и при конечной скорости сигналов, все же не смогла получить "внешнего оправдания". Она была ниспровергнута развитием оптики и электродинамики.

Отметим одну особенность понятия абсолютного времени в классической физике. Слово "относительное" противопоставляется "абсолютному" и означает, что некоторые определения (или, если свойство измерено, величины) имеют физический смысл лишь при указании другого определения. Например, свойство тела находиться слева или справа имеет смысл, если на некоторой поверхности определено направление оси, относительно которой данное тело расположено по правую или по левую сторону. Так же относительно определение "па расстоянии в два метра", требующее указания, от какого тола данное тело находится па расстоянии двух метров. В случае пространственных определении все это хорошо известно, давно вошло в число привычных представлений и в этом смысле стало очевидным. Пространственное положение тела относительно, потому что оно теряет смысл без указания тела отсчета, причем тела отсчета равноправны, внутренние свойства тела выражаются одними и теми же величинами при измерении его положения по отношению к любой системе отсчета.

Напротив, "абсолютное" имеет смысл независимо от сравнения с чем то посторонним, абсолютное определение свойства дается без указания на свойство, принятое за начало отсчета. Абсолютное положение тела в пространстве было вполне наглядным представленном в античной космологии с центром и границами мироздания. Мы увидим, насколько сложным стало понятие абсолютного пространства, когда его начали рассматривать как бесконечное.

85

Казалось бы, абсолютное время - это время, не отнесенное к некоторому произвольно выбранному начальному мгновению (началу суток, началу года, началу летосчисления), а относительное время - это время, прошедшее после того или иного начала отсчета, произвольно выбранного в том смысле, что процесс продолжается, например, в течение года, независимо от того, определяем ли мы его начало и конец от нашей эры или по иному летосчислению. Тогда абсолютным временем мы назвали бы время, отсчитанное от некоторого особого, привилегированного начала отсчета, независимое от выбора равноправных, произвольных начальных дат. Таким было время, отсчитываемое в древности от начала существования мира. Оно соответствует границам Вселенной при определении абсолютного пространства.

Однако понятие абсолютного времени, о котором говорилось выше, совсем иное. Под абсолютным временем понимается отнюдь не время, независимое от временной системы отсчета (от летосчисления и т.д.), а время, независимое от пространственного положения точки, в которой определяется время. Это иной смысл понятия "абсолютное время" по сравнению с другими абсолютными величинами, например с "абсолютным пространством". Когда была разрушена конечная Вселенная Аристотеля, абсолютное пространство было спасено - мы вскоре узнаем, каким образом. Когда рухнули легенды о сотворении мира, с ними исчезло и представление о привилегированном моменте - абсолютном начале отсчета времени. Напротив, общая идея охватывающего все мироздание независимого от каких-либо событий потока времени сохранилась. Для классической физики XVII-XIX вв. характерно представление о независимости этого потока от пространственного положения точек, в которых определяется время. Именно такой смысл вкладывал Эйнштейн в понятие абсолютного времени в своей критике этого понятия.

Теперь мы перейдем к понятию абсолютного пространства. Ньютон исходил из понятия бесконечного пространства. Поэтому абсолютное положение тела в смысле его расстояния от границ мира или от центра уже не могло войти в картину мира, нарисованную в "Математических началах натуральной философии". Здесь появился другой критерий абсолютного пространства: при переходе из одного пространственного пункта в другой меняется ход внутренних процессов в перемещающемся теле. Мы ничего не знаем о границах пространства или о каких-либо

86

абсолютно неподвижных телах, находящихся в пространстве. Положение тела отнесено не к таким границам и не к таким телам, а к самому пространству, к пустоте, в которой находятся тела. Положение, не отнесенное ни к каким телам отсчета, отнесенное к самому бесконечному, безбрежному океану мирового пространства, противоречит зрительной "очевидности": никто не мог видеть и даже представить себе положение тела без каких-либо тел отсчета. В древности такими телами считали абсолютно неподвижную Землю и границы Вселенной. Когда вопрос шел о положении Вселенной и ее центра - Земли, античные мыслители приходили к тяжелым затруднениям и противоречиям. Теперь затруднение появлялось сразу, как только речь заходила об абсолютном положении данного тела. Ньютон вышел из этого затруднения следующим образом.

Античные мыслители исходили из абсолютного положения тела - ориентировки его относительно неподвижной Земли и границ пространства. Отсюда они определяли абсолютное движение - переход тела из одного абсолютного места в другое абсолютное место. Путь Ньютона обратный. Он исходит из абсолютного движения. Абсолютное движение проявляется в изменении хода внутренних процессов в движущемся теле. Такой критерий не требует каких-либо тел отсчета. Из абсолютного движения определяется абсолютное пространство: оно характеризуется тем, что переход системы тел из одной части абсолютного пространства в другую является абсолютным движением, т.е. сопровождается внутренними изменениями в системе.

О каких внутренних изменениях идет речь и какое именно движение сопровождается внутренними изменениями?

Речь идет о силах инерции, нарушающих нормальный ход механических процессов в движущейся с ускорением системе и изменяющих поведение входящих в систему тел. Если система переходит из одной части пространства в другую с ускорением, то входящие в систему тела ведут себя иначе, чем при покое системы или при ее равномерном и прямолинейном движении. В системах, движущихся без ускорения, т.е. инерциальных системах, неподвижное тело остается неподвижным; предоставленное самому себе равномерно движущееся тело продолжает свое дви-

87

жение с неизменной скоростью; находясь под действием силы, тело движется с ускорением, пропорциональным силе. Но в системах, движущихся с ускорением, все это меняется; тела, предоставленные самим себе, ведут себя так, как будто получили толчок, как будто к ним приложены силы. Эти силы получили название сил инерции. Вообще говоря, в классической механике силы обязаны своим существованием взаимодействиям тел. Силы инерции не связаны с таким взаимодействием, они вызваны ускорением системы, они-то и служат доказательством абсолютного характера ускоренного движения системы.

Подобные силы в качестве критерия абсолютного движения фигурируют в повседневном опыте. Примером относительного движения служит плавное, равномерное движение поезда, когда нельзя сказать, движется ли поезд относительно стоящего рядом другого поезда или последний движется в обратную сторону. Когда поезд ускорит или затормозит свой ход, толчок, полученный пассажиром, нарушит эквивалентность этих двух представлений и докажет, что именно данный поезд движется. Если бы не было никаких тел отсчета, силы инерции позволили бы говорить о движении системы, зарегистрировать его абсолютный характер, придать физический смысл понятию абсолютного движения, не отнесенного к телам, отнесенного к самому пространству.

От таких наблюдений и выводов по отличается знаменитый пример вращающегося ведра с водой, приведенный Ньютоном в "Началах" для доказательства существования абсолютного движения и абсолютного пространства. Ньютон предлагает повесить на веревке ведро с водой и придать ведру быстрое вращение. Вода под воздействием центробежных сил поднимется к краям ведра.

С точки зрения относительности движения вращение ведра относительно Земли, небосвода и т.д. и вращение мироздания вокруг ведра должны давать один и тот же физический эффект, и констатации "ведро вращается относительно мира" и "мир вращается относительно ведра" описывают один и тот же процесс. Но центробежные силы и вообще силы инерции нарушают эквивалентность этих двух предложений. Про вращении мира вокруг ведра поверхность воды не изменится, при вращении ведра вода поднимается к краям. Следовательно, вращение ведра с водой имеет абсолютный характер,

88

Что означает эквивалентность приведенных двух констатации? Мы берем систему координат, т.е. координатные оси, в которых Земля неподвижна, а ведро вращается. Затем мы берем координатную систему, связанную с ведром, т.е. систему отсчета, которая вращается с ведром или, лучше сказать, в которой ведро неподвижно, а мир вращается. Переход от одного представления (вращающееся ведро) к другому (вращающийся мир) - это переход от одной системы координат к другой. Дает ли такой переход, т.е. переход от движущегося к покоящемуся или от покоящегося к движущемуся ведру, какие-либо внутренние аффекты? При таком переходе поведение тел (частиц воды) меняется. Это и является признаком абсолютного движения. В самом деле, можем ли мы в случае ускоренного движения с одним и тем же правом считать: 1) данную систему движущейся, а другую - неподвижной или 2) другую систему движущейся, а данную - неподвижной? Не изменится ли при таком переходе картина внутреннего состояния системы, не докажет ли подобное изменение, что фраза "система А движется с ускорением относительно системы В" и фраза "система В движется с ускорением относительно системы А" описывают различные ситуации? Остаются ли инвариантными по отношению к координатным преобразованиям величины, характеризующие внутреннее состояние ускоренных систем?

Как мы видели, механика Ньютона дает на эти вопросы иной ответ по сравнению с ответом на аналогичные вопросы в случае систем, движущихся без ускорения. Появление сил инерции в случае ускоренного движения системы А и их отсутствие в случае покоя или равномерного движения этой системы показывает, что система А движется с ускорением абсолютным образом не только но отношению к В (что можно было бы выразить как движение В относительно А), но и по отношению к чему-то абсолютно неподвижному. Соответственно можно утверждать, что система В, где нет сил инерции, не обладает ускорением по отношению к чему-то абсолютно неподвижному. Это "нечто абсолютно неподвижное", вызывающее силы инерции в случае ускоренного движения, представляет собой, по мнению Ньютона, пространство - пустое, абсолютное пространство.

89

Рисуя картину движений без ускорения, движений по инерции, мы не сталкиваемся с влиянием или какими бы то ни было доступными наблюдению проявлениями абсолютного пространства. Именно это и хотел доказать Галилей. Он приводит в "Диалоге о двух системах мира" картину событий в каюте равномерно движущегося корабля. В ной все происходит так же, как на неподвижном корабле. В каюте летают бабочки, вода каплет в подставленный сосуд и т.д. Все эти процессы не меняют своего хода, когда корабль движется без ускорения. Обобщением подобных наблюдений был классический принцип относительности инерционного движения.

Отметим попутно, что Эйнштейн подчеркивал неочевидность закона инерции, вернее, сводил его "очевидность" к длительному и привычному характеру наблюдений и понятий, первоначально казавшихся парадоксальными.

Непосредственное наблюдение показывает, что тела, движение которых не поддерживается постоянно действующей силой, останавливаются. Привычная логическая конструкция, восходящая к Аристотелю и распространенная еще в XVII в., рассматривала в качестве естественного круговое движение.

"Знание о прямолинейности движения предоставленного самому себе тела отнюдь не вытекает из опыта, - говорил Эйнштейн. - Наоборот! И круг считался наипростейшей линией движения и часто провозглашался таковой мыслителями прошлого, например Аристотелем" [2].

Blog

Кузнецов Б. Г. Эйнштейн. Жизнь. Смерть. Бессмертие. 5-е изд