О теории относительности

В нашей книге «Физика Веры» рассмотрены специальная и общая теории относительности Эйнштейна (2). Однако в связи с тем, что при рассмотрении физики ХХ века невозможно оставить в стороне основные положения теории относительности, кратко напомним их читателям.

В 1905 году молодой Эйнштейн опубликовал ряд работ, которые содержали три радикально новые идеи. Первая полностью отвергала существование эфира; вторая стала основой специальной теории относительности; третья заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу теории атома – квантовой теории, которая в окончательном виде сформировалась через двадцать лет благодаря совместным усилиям целой группы физиков. Однако теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн.

Об эфире. Следует отметить, что во второй половине XIX века эфир был «притчей во языцех». Любые явления природы и любые процессы (физические, химические, биологические) ученые пытались объяснить с помощью эфира, наделяя его необходимыми для этого свойствами. Он должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения, а после открытия электромагнитных полей эфир оказался средой, по которой идут световые волны; на эфир была возложена ответственность за все проявления электромагнитных свойств (2).

Бурное развитие волновой теории света заставило наделять эфир просто фантастическими свойствами, причем зачастую свойства, приписываемые эфиру для объяснения одних явлений, противоречили свойствам, требующимся для объяснения других явлений. И в то же время не было экспериментов, которые позволили бы отрицать эфир. Постепенно, однако, объяснения световых явлений на основе эфирной гипотезы стали выглядеть все более искусственными. Стало складываться убеждение о несовершенстве основ классической физики. С целью выхода из кризиса был взят курс на разработку специальной физики – физики больших скоростей, близких к скорости света (релятивистская физика).

Проверка действенности основных положений классической физики при световых и околосветовых скоростях привела к обоснованным сомнениям в существовании эфира. Особенно к печальным последствиям привел науку опыт Майкельсона, проведенный в 1881 году (2). В начале ХХ века Альберт Эйнштейн, основываясь на результатах экспериментов Физо и Майкельсона, вынес смертельный приговор эфиру, предложив «забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем» (7).

Предложение Эйнштейна охотно подхватило большинство физиков, поскольку безуспешность многочисленных попыток примирить между собой противоречивые свойства эфира и разработать приемлемую его теорию была просто удручающей. А так… как говорится: «Нет объекта, нет проблемы».

Самое поразительно, что сам Майкельсон, лауреат Нобелевской премии по физике 1907 года, несмотря на нулевые результаты опыта, проведенного в 1881 году, не сомневался в существовании эфира и постоянно искал возможности опытного подтверждения его существования.

Исчерпав все возможности обнаружить эфирный ветер при орбитальном движении Земли, Майкельсон сформулировал исходные предпосылки нового, так называемого ротационного опыта, который осуществил Саньяк в 1911 году (8). Маленький интерферограф Саньяка был собран на вращающемся диске так, что два когерентных световых луча при помощи светоделительной пластины и трех зеркал описывали замкнутые ломаные кривые по периметру диска во взаимно противоположных направлениях и сводились в зрительную трубу для получения интерференционной картины. Предполагалось, что у поверхности Земли эфир неподвижен и вращение в нем диска обусловит встречный эфирный ветер для одного луча и попутный для другого.

Результаты опыта Саньяка превзошли все ожидания: они с поразительной точностью совпали с теоретическими расчетами. Эфир был зарегистрирован однозначно, и возникло неразрешимое противоречие с нулевыми результатами опыта Майкельсона 1881 года.

Известный советский специалист по физической оптике академик и президент АН СССР С. И. Вавилов по этому поводу сказал: «Если бы явление Саньяка было открыто раньше, чем выяснились нулевые результаты опытов Майкельсона, оно, конечно, рассматривалось бы как блестящее экспериментальное доказательство наличия эфира. Но в ситуации, создавшейся в теоретической физике после опытов Майкельсона, опыт Саньяка разъяснял немногое» (8).

Дело в том, что к моменту обнаружения эфира в опыте Саньяка в науке уже были сформулированы и заняли прочные позиции «безэфирные» физические теории. Поэтому предпочтение было отдано результатам опыта Майкельсона, а результаты опыта Саньяка были проигнорированы на основании того, что «они непонятны и ничего не объясняют».

В 1925 году неугомонный Майкельсон осуществил свой ротационный опыт, в котором в качестве платформы (диска) использовался земной шар в его суточном вращении. Интерферометр представлял собой прямоугольник, выполненный из металлических труб, внутри которых располагались полупрозрачные пластины и зеркала. Две стороны интерферометра длиной по 613 м были уложены точно вдоль земных широт, а две другие длиной по 339, 5 м – вдоль земных меридианов. Результаты опыта убедительно свидетельствовали о существовании эфира. Майкельсон заявил: «По всей вероятности, эта среда не только находится везде, где существует обыкновенная материя, но и проникает во все формы материи» (8).

Однако, как и в предыдущем случае, новые результаты также были проигнорированы и снова лишь потому, что противоречили полученным в 1881 году нулевым результатам опыта Майкельсона. Проникновение в физику принципа «кто раньше успел» достойно сожаления. Если бы наука вовремя признала существование эфира, то ее развитие могло бы, по-видимому, пойти в другом направлении.

Специальная теория относительности. Эйнштейн был твердо уверен в том, что природе изначально присуща гармония, и его научной деятельностью руководило желание найти общую основу для всей физики. Первым его шагом к этой цели было объединение двух самостоятельных теорий классической физики – электродинамики и механики – под эгидой специальной теории относительности (СТО). Она объединила и дополнила построения классической физики и одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о времени и пространстве, подорвав одно из оснований ньютоновского мировоззрения.

Согласно специальной теории относительности, пространство само по себе, как и время само по себе, есть противоречивые, неопределенные сущности и только их объединение представляет независимую, непротиворечивую сущность, известную в науке как четырехмерное пространство Минковского. Эйнштейн объединил пространство и время в единый четырехмерный «пространственно-временной континуум». Все измерения в пространстве и времени, которые становятся относительными, теряют свой абсолютный характер.

Понятия времени и пространства настолько основополагающи, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Мы еще вернемся к этим изменениям, а пока отметим одно из важных последствий этого изменения: осознание того, что масса – одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е = mС², в котором С – скорость света в вакууме, С = 300 000 км/с. Для описания физических явлений, при которых действуют скорости, близкие к скорости света, всегда следует пользоваться теорией относительности. Это касается и всех электромагнитных явлений, одним из которых является свет. Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (лат. relativus – относительный).

Следуя своей философской концепции о том, что теория должна вытекать из опыта, Эйнштейн, опираясь на эксперимент Майкельсона 1881 года, ставит свет в особое положение. Скорость света, по Эйнштейну, является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую, постоянной в любых инерциальных системах отсчета (ИСО) (4).

Второй постулат СТО гласит: «Скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям в любой области данной инерциальной системы отсчета (ИСО) и одинакова во всех ИСО» (9).

Однако еще до Эйнштейна на основании глубокого анализа теории электромагнетизма Г. Лоренц и независимо от него Д. Ламор установили вид преобразований координат, которыми нужно заменить преобразования Галилея, чтобы обеспечить применимость теории Фарадея – Максвелла к движущимся системам. Эти преобразования получили название преобразований Лоренца. Именно Лоренц доказал постоянство скорости света в вакууме в любых ИСО, причем преобразования были получены им из теории электромагнетизма без использования принципа относительности. Сам Эйнштейн указывает, что «специальная теория относительности (СТО) происходит из факта постоянства скорости света в вакууме, установленного Лоренцем в соответствии с электродинамикой Максвелла» (9). В наши дни это положение уже не является следствием теоретических выкладок и тем более постулатом, это экспериментально проверенный факт, достоверность которого подтверждена всей практикой технической физики. В частности, на основе этого положения ведутся расчеты ускорителей заряженных частиц, в том числе гигантских.

Устранение эфира поставило перед Эйнштейном вопрос: что же такое поле? По мнению Фарадея и Максвелла, электромагнитное поле, в частности, следовало понимать как деформацию эфира. Отказавшись от переносчика взаимодействия (от эфира), Эйнштейн оказался в тяжелом положении и вынужден был выдвинуть гипотезу: «…силовое поле является самостоятельной физической реальностью, не нуждающейся в субстрате» (9). Иначе просто невозможно объяснить существование силовых полей в волновой зоне, вдали от вещества. А чтобы объяснить механизм распространения света появилась гипотеза световых квантов, согласно которой «электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов), обладающих противоречивыми свойствами частицы и волны, не требующей носителя» (9).

Ничего не поделаешь: гении совершают гениальные ошибки! А авторитет гения довлеет над подавляющим большинством ученых. Наука начала интенсивно развиваться в направлении «безэфирной физики».

Стоит отдать должное великому ученому, который позднее пересмотрел ранее сделанные выводы и публично признал свою ошибку. Он пришел к выводу, что существование эфира все-таки следует признать, ибо, по его мнению, в любой теории, в том числе квантовой, эфир необходим для обеспечения непрерывности физических полей и устранения дальнодействия.

Эйнштейн писал:

Согласно общей теории относительности пространство немыслимо без эфира… Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами… В пространстве без эфира не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле (10).

К сожалению, основы «безэфирной физики» не были пересмотрены, ибо к тому времени ее развитие зашло уже достаточно далеко. Следует отметить, что сегодня существование эфира признано наукой, но под термином «физический вакуум».

Академик А. Е. Акимов говорит: «Для нас сейчас физический вакуум – это то, что остается в пространстве, когда из него удаляют весь воздух и все до последней элементарные частицы. В результате получается не пустота, а своеобразная материя – Прародитель всего во Вселенной, рождающий элементарные частицы, из которых потом формируются атомы и молекулы» (2).

Общая теория относительности. Необычен подход Эйнштейна к интерпретации геометрического знания. До конца XIX века на западноевропейскую философию и науку оказывала огромное влияние греческая геометрия. Считалось, что евклидова геометрия отражает истинную сущность пространства, поэтому она чаще всего интерпретировалась как универсальная, присущая самой природе система законов. Теория относительности в значительной степени изменила это понимание.

А все началось с того, что Эйнштейн обратил внимание на связь между гравитационными полями и геометрией пространства. В 1915 году он выдвинул общую теорию относительности (ОТО), в которой осуществил еще одно объединение. Геометрические свойства пространства были объединены с чисто физической сущностью гравитации. Оказалось, что богатые свойствами геометрические структуры, такие как псевдориманово пространство, в состоянии абсорбировать в себе всю физическую сущность даже такой фундаментальной природной силы, как гравитация. Гениальность Эйнштейна проявилась в том, что он сумел на языке свойств геометрического пространства описать физическую реальность.

Согласно ОТО, гравитация способна «искривлять» время и пространство. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы. Теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.

Массивное тело не может существовать, не создавая гравитационного поля, проявляющего себя в искривлении окружающего это тело пространства. Не следует считать, что поле «наполняет» пространство и тем самым искривляет его. Поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности гравитационное поле и структура, или геометрия, пространства воспринимается как одно и то же понятие. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует одна и та же математическая величина. Следовательно, в теории Эйнштейна вещество не мыслится вне этого гравитационного поля, а гравитационное поле не мыслится без искривленного пространства. Таким образом, вещество и пространство воспринимаются как непрерывно связанные понятия, даже более того – как взаимосвязанные частицы единого целого.

Пространство вокруг таких тел – планет, звезд и т. д. – искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. В то время как классическая физика рассматривает движение твердых тел в пустом пространстве, в ОТО сама структура пространства – времени зависит от распределения вещества во Вселенной и понятие «пустого пространства» вообще теряет смысл (2). Более того, если раньше полагали, что с исчезновением материи остается пустое пространство, то теория относительности утверждает, что с исчезновением материи исчезнет и пространство.

Что касается понятия твердого тела, то оно было поставлено под сомнение атомной физикой – наукой о бесконечно малом. Одновременное появление теории относительности и теории атома поставило под сомнение представление ньютоновской механики об абсолютном характере времени и пространства, о твердых элементарных частицах, о строгой причинной обусловленности всех физических явлений и о возможности объективного описания природы. Старые понятия не находили применения в новых областях науки.