Дао физики - Фритьоф Капра

Как же теория относительности описывает пространство и время? В чем новизна ее подхода? Она исходит из того факта, что все измерения в пространстве и времени относительны. Конечно, об относительности пространственных координат было известно и раньше. Задолго до Эйнштейна люди поняли, что положение любого объекта в пространстве может быть определено только по отношению к какому-либо другому объекту. Это обычно делается при помощи трех координат и точки отсчета, которую мы можем назвать «положение наблюдателя».

Для того, чтобы доказать относительность такой системы координат на конкретном примере, возьмем двух наблюдателей, удобно расположившихся в воздушном пространстве и созерцающих зонтик (рис. 16). Для наблюдателя А картина выглядит следующим образом: зонтик находится слева от него в слегка наклоненном положении, так что ближе к нему его верхний конец. С другой стороны, наблюдатель В видит зонтик справа от себя, и дальше от него расположен верхний конец. Если мы распространим заключение, сделанное на основе примера с двумя измерениями, на трехмерное пространство, мы увидим, как «слева», «справа», «наверху», «внизу», «под наклоном» и т. д., — определяются положением наблюдателя в пространстве, а значит, являются относительными. Однако со временем в классической физике было совершенно другое положение. Считалось, что последовательность событий во времени не зависит от конкретных наблюдателей. Такие временные понятия, как «до», «после» или «одновременно», рассматривались имеющими абсолютное значение, не зависящее от какой-либо системы координат.

Эйнштейн обнаружил, что все временные характеристики тоже относительны и зависят от конкретного наблюдателя. В повседневной жизни мы привыкли думать, что последовательность событий носит универсальный характер. Это убеждение порождено тем, что скорость света в сравнении с любой другой знакомой нам скоростью чрезвычайно высока, и мы можем считать, что наблюдаем явления в тот момент, когда они происходят. Однако это не совсем так. Свету требуется некоторое время для того, чтобы преодолеть расстояние между объектом и наблюдателем. Как правило, этот промежуток времени очень невелик, и перемещение света можно считать мгновенным; однако в том случае, если наблюдатель движется с высокой скоростью относительно наблюдаемых явлений, промежуток времени между событием и его наблюдением играет решающую роль при определении последовательности событий. Эйнштейн осознавал, что в таком случае наблюдатели, движущиеся с различными скоростями, будут располагать события во времени по-разному. Для того, чтобы прийти к этому выводу, нужно помнить о том, что скорость света одинакова для всех наблюдателей. Два явления, происходящие одновременно для одного наблюдателя, могут происходить в различной последовательности для других. При обычных скоростях эти различия так малы, что их нельзя выявить, однако если скорости приближаются к скорости света, это приводит к возникновению эффектов, которые можно без труда измерить. Относительность времени проявляется и подтверждается многочисленными экспериментами физики высоких энергий, где событиями являются взаимодействия движущихся почти со скоростью света частиц. Отметим, что в последнем случае наблюдатель в лаборатории неподвижен, но наблюдаемые им частицы движутся с различными скоростями. Результат тот же самый. Важно движение наблюдателя относительно объекта. Не имеет значения, что движется относительно лаборатории — наблюдатель или объект.

Относительность времени тоже заставляет нас отказаться от ньютоновского абсолютного пространства. Считалось, что это пространство в каждый определенный момент содержит каким-то определенным образом распределенную материю; однако сейчас мы знаем, что нет абсолютного времени, что какой-либо момент времени может быть определен только для одного наблюдателя в какой-то определенный момент, однако для остальных наблюдателей оно может произойти раньше или позже этого момента. Поэтому мы не можем говорить о «Вселенной в некоторый момент» в абсолютном смысле, и абсолютного пространства, существующего независимо от наблюдателя, тоже не может быть. Так, теория относительности показала, что все изменения в пространстве и времени утрачивают абсолютное значение, и заставила нас отказаться от классических понятий пространства и времени. Исключительное значение этого открытия раскрыто в следующих словах Менделя Закса: «Истинно революционное содержание теории Эйнштейна в том, что... она отрицает объективный характер пространственно-временной системы координат. Теория относительности утверждает, что пространственные и временные координаты — лишь элементы языка, которым пользуется наблюдатель, описывающий окру жающую среду» [66,53].

Это явление, сделанное современным физиком, обнаруживает близкое сходство представлений о времени и пространстве, которые, как уже говорилось выше, считают, что пространство и время — «всего лишь имена, формы мышления, общеупотребительные слова». Поскольку вследствие этого пространству и времени отводится лишь субъективная роль элементов языка, которым тот или иной наблюдатель пользуется при описании явлений природы, каждый наблюдатель будет описывать явления по-своему. Для того, чтобы вывести на основании их описания универсальные законы природы, им придется сформулировать эти законы таким образом, чтобы они имели одну и ту же форму во всех системах координат, то есть для всех наблюдателей в относительном движении. Это требование, известное как принцип относительности, послужило отправной точкой для всей теории относительности. Интересно, что в шестнадцать лет Эйнштейн осознал существование парадокса, который в зародыше содержал в себе теорию относительности. Он попытался представить себе, каким бы увидел луч света наблюдатель, передвигающийся в направлении луча со скоростью света, и пришел к выводу о том, что этот наблюдатель увидел бы электромагнитное поле, колеблющееся назад и вперед, не продвигаясь в каком-либо направлении, то есть не образуя волны. Эйнштейн понял, что то, что будет хорошо известным электромагнитным явлением для одного наблюдателя, для другого окажется явлением, которое противоречит законам физики, и не мог понять этого. На склоне лет Эйнштейн осознал, что принцип относительности можно удовлетворительно применять в описании электромагнитных явлений только тогда, когда все пространственные и временные составляющие относительны. Законы механики, которые управляют явлениями, связанными с движением тел, и законы электродинамики, теории электричества и магнетизма можно сформулировать в общепринятых «относительных» рамках, которые включают время в свои трехмерные координаты в качестве четвертой координаты, рассматриваемой наблюдателем как относительной. Для того, чтобы проверить, удовлетворяет ли описание принципу относительности, то есть выглядят ли уравнения теории одинаково во всех системах координат, нужно провести все обозначения пространственного и временного положения из одной системы координат в другую. Такие операции перевода, или трансформации, были хорошо известны и широко использовались в классической физике. На рис. 16 мы видим, что каждая из двухкоординат наблюдателя А (одна горизонтальная и одна вертикальная, как обозначают линии со стрелками) представлена в виде суммы двух координат наблюдателя В, и наоборот. Элементарная геометрия позволяет вычислить точные соотношения координат двух наблюдателей.

В релятивистской физике ситуация изменяется, так как к трем пространственным координатам добавляется координата времени — четвертого измерения. Поскольку переход от одной системы координат к другой предусматривает, что каждая координата одной системы в другой системе выражается при помощи суммы координат, пространственная координата одной системы предстает в виде суммы координат пространства и времени. Эта ситуация действительно является совершенно новой. Любое изменение системы координат смешивает пространство и время точно определяемым в математическом отношении образом. Их уже нельзя отделить друг от друга: то, что для одного наблюдателя является пространством, для другого будет соединением пространства и времени. Теория относительности обнаружила, что пространство не трехмерно, а время не самостоятельно. Будучи тесно и неразрывно связанны, они образуют четырехмерный континуум, который называется «пространство-время». Понятие пространства-времени было впервые употреблено Германом Минковским в 1908 году в его знаменитой лекции: «Воззрения на природу пространства и времени, которые я хочу изложить, взросли на почве экспериментальной физики, и именно в этом их сила. Они радикальны. Поэтому пространство само по себе, как и время само по себе, обречены на то, чтобы отойти в прошлое, и независимой действительностью является только их соединение» [25, 75].