Развитие взглядов на Пространство и Время в истории науки

 

Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Так, одни из философов отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были пред­ставители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач и философ из г. Аркаганта Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличие от элеатов утвер­ждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не су­ществует.

Некоторые философы, в том числе Демокрит,утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и соединений.

В доньютоновский период развитие представлений о про­странстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. Первая законченная теория пространст­ва — геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории. Геомет­рия Евклида оперирует идеальными математическими объекта­ми, которые существуют как бы вне времени, и в этом смысле пространство в этой геометрии — идеальное математическое пространство. Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не со­мневался в тождественности реального физического и Евклидова пространств.

Конечно же, пустое пространство — идеальное пространство. Реальный окружающий нас мир полон материальных вещей да­же в безвоздушном космическом пространстве — его заполняют звезды, метеоритные образования, элементарные частицы и, как полагают астрономы, невидимая, скрытая материя. Идеальность пустого пространства подтверждает и относительный характер механического движения тел. Для описания движения тела нуж­но указать другое в качестве тела отсчета — рассмотрение одного единственного тела в пустом пространстве бессмысленно. В "Началах" древнегрече­ского математика Евклидапространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об одно­родном и бесконечном пространстве.

Геоцентрическая система К. Птолемея,изложенная им в труде "Альмагест", господствовала в естествознании до XVI в. Она представляла собой первую универсальную математическую мо­дель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим в себя равномерное круговое движе­ние небесных тел вокруг неподвижной Земли.

Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрическойсистеме мира, разви­той Н. Коперникомв работе "Об обращениях небесных сфер". Принципиальное отличие этой системы мира от прежних тео­рий состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реаль­ный эмпирический базис.

Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории от­верг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, "единственности" центра вращения во Вселенной. Тем са­мым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно­научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Д. Бруно связала воедино беско­нечность Вселенной и пространства. В своем произведении "О бесконечности, Вселенной и мирах" Бруно писал: "Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности и расположе­нию бесконечного пространства и благодаря возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому...". Представляя Вселенную как "целое бесконечное", как "единое, безмерное пространство", Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно "не имеет края, предела и поверхности".

Практическое обоснование выводы Бруно получили в "физике неба" И. Кеплераи в небесной механике Г. Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер уви­дел действие единой физической силы. Он установил уни­версальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических орбитах. Концепция Кеплера способст­вовала развитию математического и физического учения о пространстве.

Подлинная революция в механике связана с именем Г. Галилея.Он ввел в механику точный количественный экспе­римент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл откры­тый им общий принцип классической механики принцип от­носительности Галилея.Согласно этому принципу:

· Все физиче­ские (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямо­линейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются инерциальными.

Математические преобразования Галилея отражают движение в двух инерциальных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инвариантность(неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и вре­мени связано с рационалистической физикой Р. Декарта, кото­рый создал первую универсальную физико-космологическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материальных частиц. Взаимодействием элемен­тарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Са­мо же взаимодействие он представлял в виде давления или уда­ра при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким об­разом в физику идею близкодействия

Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к ото­ждествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью.

Декарт развил также представление о соотношении длительно­сти и времени. Длительность, по его мнению, "соприсуща мате­риальному миру. Время же — соприсуще человеку и потому является модулем мышления". "... Время, которое мы отли­чаем от длительности, — пишет Декарт в "Началах филосо­фии", — есть лишь известный способ, каким мы эту длитель­ность мыслим...".

Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени.Эти представления подготовили математическое и экспе­риментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики.

Новая физическая гравитационная картина мира, опираю­щаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И. Ньютона.Еевершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения.Согласно этому закону сила тяготе­ния универсальна и проявляется между любыми материальны­ми телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропор­циональна квадрату расстояния между ними.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов — центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона "Мате­матические начала натуральной философии". Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественно­научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.

Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон ха­рактеризует их как "вместилища самих себя и всего существую­щего. Во времени все располагается в смысле порядка последова­тельности, в пространстве — в смысле порядка положения".Он предлагает различать два типа понятий пространства и време­ни:

абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные)и дает им следующую типологическую характеристику:

· Абсолютное, истинное, математическое времясамо по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешне­му, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

· Относительное, кажущееся, или обыденное, времяесть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.

· Абсолютное пространствопо своей сущности, безотноси­тельно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одина­ковым и неподвижным.

· Относительное пространствоесть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая опре­деляется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и време­ни связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики представления об абсолютном пространстве и време­ни играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Оно выступало в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения клас­сической механики справедливы в инерциальных системах от­счета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия "пространства" и "времени" ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными призна­ками реальности как таковой. Поэтому они выступают в каче­стве относительного времени и пространства.

Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало неоднозначную реакцию со стороны его современников — ес­тествоиспытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г.В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию про­странства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей.

Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц пишет: "Считаю пространст­во так же, как и время, чем-то чисто относительным: простран­ство — порядком сосуществований, а время — порядком последо­вательностей".

Предвосхищая положения теории относительности Эйн­штейна о неразрывной связи пространства и времени с матери­ей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рас­сматриваться в "отвлечении" от самих вещей. "Мгновения в отрыве от вещей ничто, — писал он, — и они имеют свое су­ществование в последовательном порядке самих вещей".

Однако данные представления Лейбница не оказали замет­ного влияния на развитие физики, так как реляционная кон­цепция пространства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов движе­ния, обоснованных в классической механике Ньютона. Впо­следствии это было отмечено и А. Эйнштейном.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием. А ньютонов­ская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца XIX в.

Основные положения этой картины мира, связанные с про­странством и временем, заключаются в следующем.

• Пространство считалось бесконечным, плоским, "прямо­линейным", евклидовым. Его метрические свойства описыва­лись геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолют­ное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве "вместилища" материаль­ных тел, как независимая от них инерциальная система.

• Времяпонималось абсолютным, однородным, равномер­но текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной "единообразно и синхронно" и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности. Фактически классическая механика сводила время к длительности, фикси­руя определяющее свойство времени "показывать продолжи­тельность события". Значение указаний времени в классиче­ской механике считалось абсолютным, не зависящим от со­стояния движения тела отсчета.

Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований Галилея—Ньютона, посредством которых осу­ществлялся переход к инерциальным системам. Эти системы вы­ступали в качестве избранной системы координат в классиче­ской механике.

Принятие абсолютного времени и постулирование абсо­лютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневре­менные взаимодействия объектов служили физическим карка­сом для обоснования абсолютного пространства, существую­щего независимо от времени.

Механика Ньютона, развитая в работах Д'Аламбера, Лагранжа, Лапласа, Гамильтона, Якоби и др., получает строй­ную завершенную форму, основанную на принципах, опреде­ляющих научную картину мира того времени, называемую механистической научной картиной мира. В ряде ее прин­ципов следующие:

1. «Себетождественность» физического объекта, «внеположенность» его в пространстве и во времени;

2. Детерминированность поведения физического объек­та (строгая однозначная причинно-следственная связь меж­ду конкретными состояниями объекта);

3. Обратимость всех физических процессов.

4. Редукционизм и элементаризм. Механистическая концепция целого и части.

Принципы эти являются следствием представлений о непрерывном пустом пространстве и непрерывном време­ни, в которых выделено индивидуальное тело. Себетождественность движущегося тела гарантируется непрерывным изменением координат и непрерывным изменением времени. Благодаря этому континуалистскому, берущему начало из физики Аристотеля, взгляду, позволяющему одновремен­но зарегистрировать существующие тела и определить его скорость в каждой точке интервала между одним положе­нием и другим, делается вывод о том, что перед нами одно и то же тело, само себе тождественное. Континуалистская методология явилась основой для возникновения диффе­ренциального и интегрального исчислений в Новое время (Ньютон, Лейбниц). Из непрерывности состояний себетождественного физического объекта вытекает существование дифференциальных уравнений, с помощью которых, имея начальные условия, можно с абсолютной достоверностью предсказать все последующее движение тела. Интегриро­вание дифференциальных уравнений сводится к вычислению траекторий движения частицы, которые дают полное описа­ние поведения частицы как в прошлом, в настоящем, так и в будущем, то есть характеризуются свойствами детерми­нированности и обратимости. Достаточно задания на­чальных условий и уравнений движения тела, чтобы полу­чить полное описание движения частицы. Собственно, основной задачей механики является определение траектории, движении тела, то есть установление строгой причинной зависимости координат положения тела в простран­стве к зависимости от времени.

Траектория — это линия, которую описывает тело в про­странстве при своем движении. Подчеркнем, что в меха­нике Ньютона движение тела происходит но строго определенным траекториям, то есть вследствие себе-тождественности, индивидуальности физического объекта мы всегда можем одновременно измерять и его координа­ту, и его скорость.

Представления об иерархическом строении вещества и о себетождественности физического объекта сформиро­вали механистическую концепцию части и целого в ньюто­новской физике, в основе которой лежат представления редукционизма и элементаризма. Можно выделить три основных момента этой концепции:

а) Целое рассматривается как простое соединение эле­ментов. Возможно разложение, разделение целого на его элементы, то есть редукция сложного к простому;

б)Элементы целого рассматриваются как неизменяющиеся, простые, неделимые;

в) Элемент внутри и вне целого один и тот же. Это фор­мирует представление об объекте познания как самостоя­тельной сущности с присущими ему характеристиками и свойствами, не зависящими от условий познаний, а тем бо­лее от познающего его субъекта.

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т. е. она рассматривала поведение материальных объектов с конеч­ным числом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механи­ческими свойствами тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний меж­ду телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. анг­лийскими физиками М. Фарадеем и Дж.К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по пря­мым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал Эйн­штейн, с развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что "Недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы". Из теории Максвел­ла вытекал вывод о конечной скорости распространения элек­тромагнитных взаимодействий и существовании электромаг­нитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматри­ваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов со­хранения и принципа близкодействия благодаря введению по­нятия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — "поля", что, по словам Эйнштейна, явилось "самым важным достиже­нием со времени Ньютона". Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень сущест­венно для описания физических свойств пространства и време­ни. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь вели­чин, характеризующих электрические и магнитные поля с распре­делением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйн­штейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

Специального объяснения в рамках существовавшей в кон­це XIX в. физической картины мира требовал и отрицательный результат по обнаружению мирового эфира, полученный аме­риканским физиком А. Майкельсоном.Его опыт доказал неза­висимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики, результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению. Некоторые физики пытались истол­ковать их как указывающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Землю, в направлении движения под дей­ствием возникающих при этом электромагнитных сил.

Создатель электронной теории материи X. Лоренцвывел ма­тематические уравнения (преобразования Лоренца) для вычис­ления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них, в зависи­мости от скорости движения.

Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лорен­ца отражаются не реальные изменения размеров тел при дви­жении (что можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

Таким образом, относительнымиоказывались и "длина", и "промежуток времени" между событиями, и даже "однов­ременность" событий. Иначе говоря, не только всякое движе­ние, но и пространство, и время.

 

3. Пространство и время в свете теории относительности

А. Эйнштейна

Специальная теория относительности,созданная в 1905 г. А. Эйнштейном,стала результатом обобщения и синте­за классической механики Галилея—Ньютона и электродина­мики Максвелла—Лоренца. "Она описывает законы всех физи­ческих процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, та­ким образом, оказывается ее частным случаем".

Специальная теория относительности представляет собой со­временную физическую теорию пространства и времени, в кото­рой, как и в классической ньютоновской механике, предполага­ется, что время однородно, а пространство однородно и изо­тропно. Специальная теория часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, — релятивистским эффектом.

В основе специальной теории относительности лежат посту­латы Эйнштейна:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все за­коны природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механического прин­ципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а урав­нения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциональных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления механические, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают оди­наково.

Согласно второму постулату, постоянство скорости света в вакууме — фундаментальное свойство природы.

Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и вре­мени, поскольку они противоречили принципу постоянства ско­рости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространст­во, но и абсолютное время.

Из специальной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относитель­ность одновременности событий.

Если бы были найдены абсолютные пространство и время, а следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отка­заться от принципа относительности, в соответствии с кото­рым инерциальные системы равноправны. Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип от­носительности, который теперь распространяется и на элек­тромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо для распространения электромагнитных волн, света. "Для всех фи­зических процессов скорость света обладает свойством беско­нечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, рав­ную скорости света, требуется бесконечное количество энер­гии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был под­твержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света"'.

Скорость света является предельной скоростью распростра­нения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказы­вается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отноше­нию к скорости света имеют скорость, равную нулю.

Замечательный русский поэт Л. Мартынов сказал об этом так. Это почти неподвижности мука, Мчаться куда-то со скоростью звука, Зная при этом, что есть уже где-то Некто, летящий со скоростью света.

И в самом деле, скорость звука всего лишь 340 м/с. Это не­подвижность по сравнению со скоростью света.

В связи с релятивистским замедлением времени, вытекаю­щим из преобразований Лоренца, в свое время возникла про­блема "парадокса часов" (иногда рассматриваемая как "парадокс близнецов"), вызвавшая многочисленные дискуссии. Предста­вим себе, что осуществляется фантастический космический по­лет к звезде, находящейся на расстоянии 500 световых лет (расстояние, которое свет от звезды до Земли доходит за 500 лет), со скоростью, близкой к скорости света. По земным часам полет до звезды и обратно продлится 1000 лет, в то время как для системы корабля и космонавта, находящегося в нем, та­кое путешествие займет всего 1 год. Таким образом, космонавт возвратится на Землю, не застав в живых своего брата-близнеца. Это явление в действительности парадокса не содержит. Дело в том, что принцип относительности утверждает равноправность не всяких систем отсчета, а только инерциальных. Неправиль­ность рассуждения в примере с космическим полетом состоит в том, что системы отсчета не эквивалентны: земная система инерциальна, а корабельная — неинерциальна, поэтому прин­цип относительности к ним неприменим.

Релятивистский эффект замедления времени эксперимен­тально подтвержден при исследовании нестабильных, самопро­извольно распадающихся элементарных частиц в опытах с пи-мезонами.

Из этих двух принципов — постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея — математи­чески следуют все положения специальной теории относительно­сти (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наи­меньшей по отношению к покоящейся.

Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса — наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвиж­ной, в которой этот процесс будет более быстрым.

Специальная теория относительности объединила простран­ство и время в единый континуум пространство—время. Осно­ванием для такого объединения послужил и постулат о предель­ной скорости передачи взаимодействий материальных тел — скорости света, равной в вакууме примерно 300 000 км/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относи­тельность одновременности двух событий, происшедших в раз­ных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеет не абсолют­ный, а относительный характер.

Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения, — результат развития специальной теории относи­тельности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. Припереходе к космическим масштабам геометрия пространства—времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

Общая теория относительности развенчала абсолютность плоской Евклидовой геометрии как единственно пригодной для описания явлений природы. Из данной теории вытекает, что материя по существу создает и формирует свойства пространства — времени. Любая масса искривляет пространство—время. Ко­личественной мерой искривленности служит безразмерное от­ношение гравитационного потенциала к квадрату скорости све­та. Если такое отношение равно нулю (массы отсутствуют), то пространство—время становится псевдоевклидовым, плоским, а истинное пространство (без времени) — Евклидовым, которое представляет собой предельный случай — пустое пространство. В другом предельном случае, когда данное отношение стремится к единице (больше оно быть не может), пространство—время искривляется и замыкается само на себя, образуя локальную пространственно-временную границу физического мира, кото­рый при этом разделяется на две несвязанные области. Предпо­лагается, что такая возможность создается на горизонте событий черных дыр, реальное существование которых экспериментально не установлено.

Трудно наглядно представить искривленное пространство с тремя и более измерениями, поскольку невозможно реально по­кинуть наше трехмерное пространство и посмотреть на него со стороны. Но для двухмерного (поверхность) или одномерного (линия) пространства это сделать легко. Любая искривленная поверхность, погруженная, как говорят геометры, в наше обыч­ное трехмерное Евклидово пространство, всегда наглядно. Мож­но представить целиком замкнутую искривленную поверхность, например сферическую, которая безгранична, но конечна, т. е. имеет конечную площадь.

Общая теория относительности затрагивает и проблемы кос­мологии и, в частности, два основных вопроса: какова глобаль­ная структура пространства—времени нашей Вселенной и ко­нечны или бесконечны пространство и время для нашего мира? Об этом можно говорить много, но экспериментальные астро­номические данные пока не позволяют дать исчерпывающие ответы. Известно, однако, что наша Вселенная расширяется. Это было предсказано советским математиком и теоретиком А.А.Фридманом (1888—1925) на основании общей теории отно­сительности и подтверждено астрономическими наблюдениями. Расширение Вселенной, часто называемое разбеганием галактик, означает, что пространство—время имело особую точку— космологическую сингулярность, определяющую момент рожде­ния и начало времени для нашего мира примерно 13,7 миллиардов лет назад. Вместе с тем измерения скорости разбегания галактик и средней плотности вещества во Вселенной пока еще очень неточные, а также последние космологические теории показывают, что глобально пространство нашей Вселен­ной не замкнуто и его можно практически считать Евклидовым. Почему пространство, в котором мы живем, трехмерно? От­вет на этот вопрос пока не выходит за рамки антропного принци­па. Из него следует, что в пространстве другого числа измерений мы просто не могли бы существовать. Не было бы атомов, моле­кул, планетных систем и живых организмов, а следовательно, и таких сложных живых систем, как человек. И вообще физиче­ский мир, если бы он существовал при этом, был бы совершен­но иным.

Необходимо подчеркнуть, что именно в отношении опреде­ленных пространственных координат изменяются отрезки длин и промежутки времени. Наблюдатель, находящийся внутри ва­гона, по своим часам, скажем, ждет полчаса. А по часам на­блюдателя на платформе проходит значительно больше време­ни. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в два раза с точки зрения наблюдателя на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как и была при отлете.

Расширение принципа относительности на неинерциальные системы, казалось бы, противоречит нашему обыденному опы­ту. Находясь внутри инерциальной системы, никаким экспери­ментом нельзя определить, движется она или покоится. Те, кто летал в самолете, знают, что в нем, как и на Земле, можно де­лать все: пить чай, играть в мячик и т. п. Даже если посмотреть в иллюминатор, то увидишь, что самолет как бы висит непод­вижно над облаками. Однако, когда самолет начинает сбавлять скорость и идет на посадку, пассажиры сразу же это замечают.

Эйнштейн предлагает провести мысленный эксперимент с лифтом, подвешенным над Землей. Наблюдатели, находящиеся внутри него, не смогут определить в некоторых ситуациях, на­ходятся они в покое или в движении. Представим себе, что в какой-то момент времени канат, на котором подвешен лифт, обрывается, и наблюдатели в нем оказываются в состоянии свободного падения. В этом случае они не смогут определить, какое издвух противоположных утверждений будет истинным:

1) лифт движется в поле тяготения Земли; 2) лифт покоится в отсутствии поля тяготения. Если же в отсутствие поля тяготе­ния Земли лифт будут тянуть вверх с ускорением g, то наблю­датели также не смогут выбрать истинное утверждение из двух противоположных: 1) лифт покоится в поле тяготения Земли;

2) лифт движется с ускорением в отсутствие поля тяготения.

Относительно точные измерения показывают, что массы тя­желая и инертная равны между собой. Этот факт, никак не объяснимый классической механикой, фигурирует в общей теории относительности, в которой понятие силы оказывается лишним — в поле тяготения тела движутся как бы "сами по себе" по кратчайшим путям — геодезическим линиям — в искривленном пространстве—времени. При этом поле тяготения и есть по су­ществу искривленное физическое пространство, создаваемое массами вещества. В математическом смысле искривленность — это то, чем данное пространство отличается от хорошо нами представляемого Евклидова пространства.

Под кривизной пространства не нужно понимать искривле­ние плоскости наподобие того, как искривлена поверхность евклидовой сферы, где внешняя поверхность отлична от внут­ренней. Изнутри ее поверхность выглядит вогнутой, извне — вы­пуклой. Если же брать плоскость в пространстве Лобачевского или Римана, обе ее стороны являются совершенно одинаковыми. Про­сто внутренняя структура плоскости такова, что мы измеряем ее с помощью некоторого коэффициента "кривизны". Кривизна пространства понимается в науке как отступление его метрики от евклидовой, что точно описывается в языке математики, но не проявляется каким-то наглядным образом.

Создатели геометрий Лобачевский и Риман считали, что только физические эксперименты могут показать нам, какова геометрия нашего мира. Эйнштейн в общей теории относи­тельности сделал геометрию физической экспериментальной наукой, которая подтвердила характер пространства Римана.

Общая теория относительности заменяет закон тяго­тения Ньютона новым уравнением тяготения. Закон Ньютона получается как предельный случай эйнштейновских уравнений. Рассчитанное теоретически Эйнштейном отклонение луча света было впоследствии экспериментально подтверждено наблюде­ниями во время солнечного затмения, когда луч света от звезды проходит вблизи поля тяготения Солнца.

В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства—времени определяется распределением масс материи. Когда корреспондент американской газеты "Нью-Йорк Таймс" спросил Эйнштейна в апреле 1921 г., в чем суть теории относительности, он ответил: "Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Со­гласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время".

Специальная теория относительности:

1. Установила связь между массой и энергией. Закон сохранения массы и закон сохранения энергии потеряли свою независимость друг от друга и оказались объединенными в единый закон сохранения массы или энергии (В.Гейзенберг):

Каждой массе соответствует энергия; любой энергии соответствует масса. Всякий процесс, идущий с выделением энергии, связан с потерей массы и обратно, приобретая энергию, тело одновременно приобретает и массу.

2. Установила, что не может быть абсолютной одновременности событий, происходящих в разных системах. т.е. в разных условиях движения.

Не существует единого всегда и везде равномерного потока времени. Одновременность событий носит относительный характер.

3. Доказала, что пространственные и временные характеристики в различных соотносительных материальных системах отсчета будут различными. Эти изменения зависят от скорости относительного движения тел. По мере возрастания скорости движения длина тела сокращается в направлении движения и течение времени соответственно замедляется. (релятивистское замедление времени).

 

Общая теория относительности:

1. Доказала большую непосредственную зависимость свойств пространства-времени от движущейся материи, в частности от концентрации и движения материальных масс.

2. Установила, что отклонение реальных свойств пространства от евклидовых ("кривизна " пространства), а также изменение ритма течения времени обуславливается материальными массами и полями тяготения. При наличии сильных полей тяготения искривление пространства увеличивается, а ход времени замедляется.

3. Пространство-время является выражением наиболее общих отношений материальных объектов и вне материи существовать не может.

4. Пространство-время не самостоятельные субстанции, а формы существования единой субстанции - материи.