Коллектив авторов - На плечах гигантов

В основе специальной теории относительности лежит следующий постулат, которому удовлетворяет также и механика Галилея – Ньютона.

Если система координат К выбрана таким образом, что физические законы в ней справедливы в своей простейшей форме, то те же самые законы справедливы и во всякой другой координатной системе К’ , которая движется равномерно и прямолинейно относительно К . Будем называть этот постулат «специальным принципом относительности». Словом «специальный» подчеркнем то обстоятельство, что этот принцип ограничивается случаем, когда система К’ совершает относительно системы К равномерное и прямолинейное движение, и что равноценность систем К’ и К не распространяется на случай неравномерного движения системы К’ относительно К .

Итак, специальная теория относительности отличается от классической механики не только постулатом относительности, но и в основном постулатом постоянства скорости света в пустоте, из которого при объединении его со специальным принципом относительности известным образом вытекает относительность одновременности, преобразование Лоренца и связанные с этим преобразованием законы, касающиеся поведения движущихся твердых тел и часов.

Теоретические истории Вселенной.

Плоская мембрана (первая слева ) говорит о необходимости определить границы, и таково было представление о Земле, когда ее считали плоской. Если Вселенная уходит на бесконечность, как седловидная поверхность (вторая справа), опять же возникают сложности с определением граничных условий на бесконечности. Если все истории Вселенной в мнимом времени представляют собой замкнутые пространства, подобные поверхности Земли, необходимость определять граничные условия отпадает сама собой. Выходя за рамки теорий Эйнштейна, мы задумываемся о множественных мирах на многомерных бранах.

Несмотря на то что теория пространства и времени испытала под влиянием специальной теории относительности очень глубокое изменение, один важный пункт остался незатронутым. Согласно специальной теории относительности высказывания геометрии имеют значение законов, касающихся возможных относительных положений (покоящихся) твердых тел, а общие положения кинематики – значение законов, описывающих поведение измерительных приборов и часов. При этом двум выбранным материальным точкам покоящегося (твердого) тела всегда соответствует некоторый отрезок вполне определенной длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени. Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой (допустимой) координатной системы, всегда соответствует интервал времени определенной величины, независимо от места и времени. Далее мы увидим, что общая теория относительности не может придерживаться этого простого физического толкования пространства и времени.

Классической механике и в неменьшей степени специальной теории относительности свойственен некоторый теоретико-познавательный недостаток, который, пожалуй, впервые был ясно отмечен Эрнстом Махом. Мы поясним его суть на следующем примере. Пусть два жидких тела одинаковой величины и состава свободно парят в пространстве на таком большом расстоянии друг от друга (и от всех прочих масс), что должны приниматься во внимание только те гравитационные силы, с которыми действуют друг на друга части одного и того же тела. Пусть расстояние между этими телами остается постоянным. Кроме того, будем считать, что не происходит перемещения друг относительно друга частей одного и того же тела. При этом пусть каждая масса, рассматриваемая наблюдателем, покоящимся относительно другой массы, вращается вокруг линии, соединяющей массы с постоянной угловой скоростью (это относительное движение обеих масс всегда возможно установить). Наконец, представим себе, что поверхности обоих тел ( S 1 и S 2 ) измерены с помощью масштабов (покоящихся относительно этих тел). Будем считать, что согласно результатам измерений поверхность S 1 представляет собой сферу, а поверхность S 2 – эллипсоид вращения. Далее возникает вопрос: по какой причине тела S 1 и S 2 ведут себя по-разному? Ответ на этот вопрос может быть признан удовлетворительным с теоретико-познавательной точки зрения только тогда, когда обстоятельство, указанное в качестве причины, является наблюдаемым опытным фактом [15] . Дело в том, что принцип причинности только тогда имеет смысл суждения о явлениях в мире опыта, когда в качестве причин и следствий в конечном итоге оказываются лишь собственно наблюдаемые факты .

Механика Ньютона не дает удовлетворительного ответа на поставленный выше вопрос, а говорит следующее. Законы механики справедливы для пространства R 1 , относительно которого тело S 1 находится в покое, но несправедливы для пространства R 2 , относительно которого находится в покое тело S 2 . Однако вводимое при этом галилеево пространство R 1 (и движение по отношению к этому пространству), по сути, является фиктивной причиной, а вовсе не наблюдаемым фактом. Другими словами, очевидно, что механика Ньютона в рассматриваемом случае удовлетворяет требованию причинности не по существу, но лишь кажущимся образом, возлагая ответственность за наблюдаемое различное поведение тел S 1 и S 2 на фиктивную причину – пространство R 1 .

Удовлетворительным ответом на рассматриваемый вопрос может быть только такой: физическая система, состоящая из тел S 1 и S 2 , сама по себе не дает возможности указать причину, с помощью которой можно было бы объяснить различное поведение тел S 1 и S 2 . Следовательно, причина должна лежать вне этой системы. Из последнего утверждения, в свою очередь, следует вывод, что общие законы движения, которые, в частности, определяют форму тел S 1 и S 2 , должны быть таковы, чтобы механические свойства тел S 1 и S 2 в значительной степени обусловливались отдаленными массами, которые мы не включили в рассматриваемую систему. Эти отдаленные массы (и их относительные движения по отношению к рассматриваемым телам) должны тогда рассматриваться как носители принципиально наблюдаемых причин различного поведения рассматриваемых тел S 1 и S 2 , и они становятся на место фиктивной причины R 1 . Из всех возможных пространств R 1 , R 2 и т. д., движущихся любым образом относительно друг друга, ни одному из них не должно изначально отдаваться предпочтение, если только мы хотим устранить указанный теоретико-познавательный недостаток. Законы физики должны быть составлены так, чтобы они были справедливы для произвольно движущихся координатных систем. Таким образом мы приходим к расширению постулата относительности.