Эволюция представлений о пространстве и времени
Вместе с материей, движением и взаимодействием понятия пространства и времени являются базовыми категориями всего естествознания. И то-чно так же, как рассмотренные в предыдущей теме первые три, их естественнонаучная трактовка неразрывно связана с их же философской интерпретацией. С точки зрения естествознания пространство и время – это формы су-ществования материи, с позиций же философии, пространство и время есть всеобщие и необходимые формы её бытия.
Говоря более конкретно, пространство и время следует отнести к научным категориям физики, поскольку именно она решает задачу измерения длин и длительностей. Общая часть данной задачи – измерить то и другое – объясняет, почему понятия пространства и времени издавна используются в паре друг с другом – эти понятия выражают упорядоченность мира. В то же время они сильно различаются по смыслу, поскольку смысл понятия прост-ранства связан с упорядочиванием сосуществующего (одно рядом с другим), а смысл понятия времени – с упорядочиванием событий, которые приходят на смену друг другу (одно после другого).
Развитие представлений о пространстве и времени с античных времен до наших дней можно свести к решению следующей двуединой задачи:
– какова сущность (физические свойства и геометрические характеристики) пространства и времени?
– как связаны пространство и время с формами (видами) материи – веществом и полем?
Эволюция подходов к решению данной задачи разбивается на два периода (с периодами истории всего естествознания, что рассматривались в ра-зделе 1.3 предыдущей темы ничего общего не имеют!) – доэйнштейновский (содержание данного раздела темы 2) и эйнштейновский (разделы 2.2 и 2.3 этой же темы).
С античных времен наиболее известными были две концепции прост-ранства и времени. Одна из них идет от атомистов – Демокрита, Лукреция и Эпикура (см. раздел 1.3) – которые пространство считали пустотой (небытием), которая неподвижна, бесконечна и не оказывает никакого влияния на находящиеся в ней тела (последние, наоборот, есть бытие). В этой пустоте одинаковыми свойствами обладают все её точки и направления, отсюда ещё два её качества – она однородна и изотропна. Время атомисты рассматривали как субъективное ощущение действительности. Другая концепция восходит к Аристотелю (там же) и опирается на прямо противоположный принцип – отсутствия пустоты в природе. Мировое пространство у Аристотеля заполнено непрерывной и строго иерархично организованной материей. Каж-дый уровень этой организации (например, тот же подлунный или надлунный миры, см. раздел 1.3) обладает своими специфическими свойствами, в силу чего в каждой точке мира, в каждом направлении пространства действуют свои законы. Отсюда – совершенно иные свойства аристотелевского прост-ранства – оно конечно (потому что все заполняющие его материальные стру-ктуры имеют конкретную протяженность и форму), не является пустотой (поскольку представляет собой протяженную и непрерывную материю), неоднородно и анизотропно (см. выше). Время Аристотель считал мерой движения (как насильственного, так и естественного, там же).
Концепции атомистов придерживался Евклид (см. раздел 1.3), давший первую строгую математическую интерпретацию однородного, изотропного и бесконечного пространства. В евклидовой геометрии, что изучается в сре-дней школе, пространство плоское, прямолинейное, и описывается пятью аксиомами (постулатами) – что сумма углов треугольника равна 180○ , что параллельные прямые не пересекаются и т.п. Противоположные, аристотелевские взгляды получили развитие в трудах французского философа и мыслителя Р. Декарта, который считал пространство протяженной материей, заполняющей в виде элементарных вещественных частиц всю Вселенную. Все на-блюдаемые физические явления – теплоту, свет, электричество, магнетизм – Декарт объяснял взаимодействием этих частиц в виде давления или удара. Он же ввел трехмерную координатную систему, названную впоследствии его именем, в которой время представлялось в качестве одной из координатных осей. По сути, Декарт обосновывал единство физики и геометрии, отожде-ствляя, соответственно, материальность и протяженность и отрицая пустое пространство. В трактовке же времени он, наоборот, уже как сторонник атомистов, считал его субъективным (человеческим) осмыслением объективной длительности, как свойства всего материального мира.
Завершает доэйнштейновский период эволюции представлений о пространстве и времени их трактовка в соответствии с механистической естест-веннонаучной картиной мира (см. раздел 1.3). Сначала в рамках формирования данной картины Галилеем математически строго было доказано такое, высказывавшееся ранее атомистами лишь на уровне предположения, их качество, как абсолютность, т.е. независимость от материи (см. выше). Для этого Галилей осуществил мысленный эксперимент по проверке справедливости соблюдения законов механики по отношению к двум опять же чисто гипотетическим ситуациям, а именно, когда параметры движения материального тела (путь и время) измеряются в разных декартовых системах координат, как в системах отсчета. Одна из этих систем неподвижна, а другая, будучи связана с этим телом, либо движется вместе с ним с малой (много мень-шей, чем скорость света в вакууме) скоростью прямолинейно и равномерно относительно одной из пространственных осей первой системы координат, либо покоится по отношению к ней же, как к системе отсчета. Такие системы Галилей назвал инерциальными (рис. 2.1).
Итог мысленного эксперимента Галилея был таков. Подставляя, как аргументы, в уравнения механики параметры движения тела, измеренные в ра-зных системах отсчета – в неподвижной x, y, z, t (см. рис. 2.1) и в подвижной x', y', z', t' (там же) – он показал, что эти уравнения правильно описывают данное движение в любой из инерциальных систем отсчета, сами при этом
| V×t |
| V = const (V = 0) |
| z' |
| z |
| x |
| x1 |
| x2 |
| x' |
| x1' |
| x2' |
| y' |
| y |
Рис. 2.1. Инерциальные системы отсчета
оставаясь неизменными. На основании этого вывода Галилей сформулировал важнейший закон классической механики – названный его именем принцип относительности, согласно которому все физические (тогда, в 16 веке – то-лько механические!) процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Переход от одних аргументов к другим осуществляется с помощью преобразований Галилея:
y = y' ; z = z' ; x = x' + V ∙ t ; t = t' .
Данные преобразования позволяют сформулировать еще одну, более физическую и более математическую версию принципа относительности Галилея – законы механики инвариантны (неизменны, безразличны) к преобразованиям Галилея.
Следствиями, математически строго вытекающими из этих преобразо-ваний, являются:
· t = t' – время течет одинаково в обеих инерциальных системах отсчета, т.е. оно абсолютно (независимо) по отношению к факту наличия или отсутствия движения материальных объектов (тел);
· как следует из рис. 2.1, x1 = x1' + V ∙ t и x2 = x2' + V ∙ t . Приращение Δ ко-ординаты пространства в направлении движения будет равно разности x1 – x2 = x1' + V ∙ t – x2' – V ∙ t = x1' – x2' , т.е. Δx = Δx' – изменение данной координаты также одинаково в обеих инерциальных системах отсче-та, следовательно, пространство также абсолютно.
Завершил формирование доэйнштейновского понимания пространства и времени Ньютон. Дополняя выводы Галилея, он, опираясь на свою гравитационную модель Вселенной, обосновал бесконечность пространства, поскольку лишь при этом условии в ней может существовать множество косми-ческих объектов – центров тяготения. К инвариантным, т.е. не меняющимся при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой параметрам движущегося тела (напомним, что по Галилею, это время его движения и раз-мер тела в направлении этого движения, см. выше), он добавил массу тела. В качестве еще одного подтверждения правоты принципа соответствия (см. раздел 1.3) можно привести тот факт, что описанный выше принцип относительности Галилея Ньютон сделал первым законом своей знаменитой динамики, как закон инерции.
В итоге в механистической картине мира пространство стало считаться «прямолинейным», описываемым геометрией Евклида. Оно рассматривалось, напомним, как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (не имеющее выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» ма-териальных тел как независимая от них инерциальная система отсчета. Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности. Определяющее свойство времени – показывать продолжительность события.
Нельзя сказать, что в последующие два столетия (до эйнштейновского понимания пространства и времени) концепция бесконечной и стационарной Вселенной Ньютона не вызывала сомнений. Так, в середине 18 века швейца-рский астроном Жан Шезо впервые сформулировал так называемый фотометрический парадокс: «Если количество звезд во Вселенной бесконечно, то почему всё небо не сверкает, как поверхность единой звезды? Почему небо местами темное? Почему звезды разделены темными промежутками?»
Действительно, если провести мысленный эксперимент по увеличению радиуса r Вселенной, как сферы, имеющей центром Землю, то яркость звезд, заполняющих эту сферу, согласно закону обратных квадратов механики Ньютона и электростатики Кулона, будет по мере увеличения данного радиуса ослабевать в 1/r2 раза. Но при этом количество этих звезд будет увеличиваться пропорционально объему данной сферы, т.е. расти на порядок бы-стрее –в r3 раза. В итоге, по Ньютону, земное небо и днем, и ночью должно сверкать ярче Солнца, однако такого нет – почему?
Шезо сам пытался найти ответ на поставленные им вопросы. Он полагал, что, скорее всего, это пылевые облака заслоняют от нас свет далеких звезд, поэтому земным наблюдателям доступны лучи лишь ближайших светил. Немецкий астроном Ольберс (уже в 19 веке), вначале поддержавший гипотезу о пылевых облаках, затем сам же её и опроверг (фальсифицировал, см. раздел 1.2), придя к правильному выводу, что такие облака постепенно на-грелись бы далекими звездами и начали бы излучать столько же света, сколько поглощают.
Таким образом, фотометрический парадокс (часто его называют парадоксом Шезо – Ольберса) неизбежно приводил к одному из двух выводов – либо Вселенная не бесконечна, либо количество звезд в ней ограничено.
С открытием полевой формы материи ситуация еще более усугубилась. Прежде всего, выяснилось, что законы, описывающие поведение этой формы материи – законы (уравнения) электродинамики Максвелла – неинвариантны к преобразованиям Галилея. Действительно, если подвижную инерциальную трехмерную систему отсчета x', y', z' (см. рис. 2.1) совместить не с вещественным телом, как это и предполагал данный рисунок, а с электрическим зарядом, то в этой системе возникает электростатическое поле постоянной напряженности, природа которого описывается конкретной теорией – упоми-навшейся выше электростатикой Ш. Кулона. По отношению же к неподви-жной декартовой системе координат x, y, z (там же) тот же заряд, будучи подвижным, создает вокруг себя переменное магнитное поле, изменение ма-гнитного поля приводит к возникновению уже не связанного с этим зарядом электрического поля другой напряженности, а вокруг изменяющегося элект-рического поля снова возникает магнитное поле. Электрическое и магнитное поля, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга, в результате чего возникает уже другое поле – электромагнитное, подчиняющееся законам и другой теории – электродинамики Максвелла. Вывод – для полевой формы материи принцип относительности Галилея не выполняется, поскольку связанные с ней явления электромагнетизма (одни и те же!) выглядят по-разному, если на них «смотреть» просто из разных мест – это не укладывается в рамки обы-чного здравого смысла.
Самым, пожалуй, значимым фактом из числа тех, что ставили под сомнение ньютоновскую концепцию пространства и времени, является отрицательный результат опыта американских физиков А. Майкельсона и Э. Мо-рли 1887 года по обнаружению эфира. Еще до Ньютона под этим термином понимали некую материальную среду, чем-то отличающуюся от пустоты, которая заполняет всё пространство Вселенной. Конкретизируя такое, довольно философское понятие, Ньютон, в полном соответствии со своим видением мира, предложил считать эфиром механическую среду, в которой тела воздействуют друг на друга посредством гравитации по принципу дальнодействия (см. раздел 1.3). Проще говоря, эфир, по Ньютону – это мировая среда, обеспечивающая действие закона всемирного тяготения, а по Галилею – самая большая (абсолютная) неподвижная инерциальная система отсчета.
Никакими экспериментальными данными доказать существованиеэфира на этапе классического естествознания (там же) было нельзя – действительно, как на практике продемонстрировать, что бесконечность есть? Шанс появился на следующем, третьем этапе истории естествознания как раз после открытия полевой формы материи. В соответствии уже с электродинамикой Максвелла эфир наделялся новым качеством – быть ответственным за все проявления не только гравитационного, но и электромагнитного взаимодействия. Чтобы доказать наличие этого качества, и тем самым доказать сам факт существования эфира, был реализован уже не мысленный, как в случае с превращением законов электростатики в законы электродинамики при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую (см. выше), а реальный эксперимент с той же целью – проверить справедливость принципа относительности Галилея по отношению к электромагнитным явлениям.
Идея опыта заключалась в сравнении времени прохождения света в двух направлениях – движения Земли по околосолнечной орбите с тангенциальной скоростью V по оси X (рис. 2.2) и в направлении, перпендикулярном
| с |
| с |
| V = 30 км/с |
| X |
| Y |
Рис. 2.2. Схема опыта Майкельсона – Морли
этому движению, т.е. вдоль оси Y (там же). Если эфир, как неподвижная система отсчета, существует (в чем, кстати, авторы опыта, приступая к нему, не сомневались), то сложение векторов скорости света в вакууме c (см. рис. 2.2), равной 300 000 км/с, и также известной еще со времен Ньютона, касательной к околосолнечной орбите, т.е. тоже линейной, скорости Земли V (там же) должно подчиняться правилам его же и Галилея классической механики, а именно:
– при испускании луча света вдоль оси X, когда направления векторов c и V совпадают (см. рис. 2.2), суммарная (относительно неподвижного эфира) скорость этого луча должна была быть равна c + V = 300 000 + 30 = 300 030 км/с, подобно тому, как скорость идущего по движущемуся вагону в направлении его движения пассажира равна сумме скоростей движения и вагона, и пассажира;
– при испускании луча света поперек оси X (вдоль оси Y, см. рис. 2.2), когда направления векторов c и V взаимно перпендикулярны (там же), скорость этого луча относительно неподвижного эфира должна быть равна c = 300 000 км/с, что в соответствии с выше приведенным примером означает, что пассажир в вагоне стоит, сидит или лежит, т.е. относительно этого вагона неподвижен.
Результаты опыта достоверно показали, что при испускании луча света интерферометром Майкельсона (на рис. 2.2 показан прямоугольником) в любом из указанных там же направлений его скорость, т.е. скорость света в вакууме c остается постоянной. Из данного практическогорезультата следовало, что законы классической механики, в том числе и принцип относительности Галилея, неприменимы к описанию поведения полевой формы материи, и что эфира, как абсолютной и неподвижной инерциальной системы отсчета не существует. В полном соответствии (в очередной раз!) с научным методом (см. раздел 1.2) это означало, что необходимо создание новой, более сло-жной теоретической трактовки пространства и времени, которая, с одной стороны, согласовала бы их разное толкование механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла, а с другой – дала бы объяснения результату опыта Майкельсона – Морли. Тот факт, что к концу 19 века ситуация с представлениями о пространстве и времени выглядела именно так, впоследствии подт-вердил тот, кто и решил оформившуюся выше описанным порядком проб-лему, т.е. Эйнштейн, сказав, что теория относительности возникла из проблемы поля.