Скачать

Общие положения теории относительности

Чтобы увидеть значение теории относительности Эйнштейна для эволюции физической мысли, следует прежде всего остановиться на самых общих понятиях относительности положения и движения тел и однородности пространства и времени. В теории Эйншиейна фигуриру­ет однородность и изотропность пространства-времени.

Представим себе материальную частицу, затерянную в бесконеч­ном, абсолютно пустом пространстве. Что в этом случае означают слова "пространственное положение" частицы? Соответствует ли этим словам какое-либо реальное свойство частицы?

Если бы в пространстве существовали другие тела, мы могли бы определить по отношению к ним положение данной частицы, но если пространство пусто, положение данной частицы оказывается бессо­держательным понятием. Пространственное положение имеет физичес­кий смысл только в том случае, когда в пространстве имеются иные тела, служащие телами отсчета. Если брать в качестве тел отсчета разные тела, мы придем к различным определениям пространственного положения данной частицы. С любым телом мы можем связать некото­рую систему отсчета, например систему прямоугольных координат. Такие системы равноправны: в какой бы системе отсчета мы ни опре­деляли положение точек, из которых состоит данное тело, размеры и форма тела будут одними и теми же, и, измеряя расстояния между точками, мы не найдем критерия, чтобы отличить одну систему отс­чета от другой. Мы можем поместить начало координат в любой точке пространства, мы можем затем перенести это начало в любую другую точку, либо повернуть оси, либо сделать и то и другое - форма и размеры тела при таком переносе и повороте не изменятся, так как не изменится расстояние между любыми двумя фиксированными точками этого тела. Неизменность этого расстояния при переходе от одной системы отсчета к другой называют инвариантностью по отношению к указанному переходу. Мы говорим, что расстояния между точками те­ла являются инвариантами при переходе от одной прямоугольной сис­темы координат другой, с иным началом и иным направлением осей. Расстояния между точками тела служат инвариантами таких коорди­натных преобразований. В инвариантности расстояний между точками относительно переноса начала координат выражается однородность пространства, равноправность всех его точек относительно начала координат.

Если точки пространства равноправны, то мы не можем опреде­лить пространственное положение тела абсолютным образом, мы не можем найти привилегированную систему отсчета. Когда мы говорим о положении тела, т.е. о координатах его точек, то необходимо ука­зывать систему отсчета. "Пространственное положение" в этом смыс­ле является относительным понятием - совокупностью величин, кото­рые меняются при переходе от одной системы координат к другой системе, в отличие от расстояний между точками, которые не меня­ются при указанном переходе.

Однородность пространства выражается, далее, в том, что сво­бодное тело, переходя из одного места в другое, сохраняет одну и ту же скорость и соответственно сохраняет приобретенный им им­пульс. Каждое изменение скорости и, соответственно, импульса, мы объясняем не тем, что тело передвинулось в пространстве, а взаи­модействием тел. Изменение импульса данного тела мы относим за счет некоторого силового поля, в котором оказалось рассматривае­мое тело.

Нам известна также однородность времени. Она выражается в сохранении энергии. Если с течением времени не меняется воздейс­твие, испытываемое данным телом со стороны других тел, иными сло­вами, если иные тела действуют неизменным образом на данное тело, то энергия его сохраняется. Мы относим изменение энергии тела за счет изменения во времени действующих на него сил, а не за счет самого времени. Время само по себе не меняет энергии системы, и в этом смысле все мгновения равноправны. Мы не можем найти во вре­мени привилегированного мгновения, также как не можем найти в пространстве точку, отличающуюся от других точек по поведению по­павшей в эту точку частицы. Поскольку все мгновения равноправны, мы можем отсчитывать время от любого мгновения, объявив его на­чальным. Рассматривая течение событий, мы убеждаемся, что они протекают неизменным образом, независимо от выбора начального мо­мента, начала отсчета времени.

Мы могли бы сказать, что время относительно в том смысле, что при переходе от одного начала отсчета времени к другому опи­сание событий остается справедливым и не требует пересмотра. Од­нако обычно под относительностью времени понимают нечто иное. В простом и очевидном смысле независимости течения событий от выбо­ра начального момента относительность времени не могла бы стать основой новой теории, совсем не очевидной, опрокидывающей обычное представление о времени.

Под относительностью времени мы будем понимать зависимость течения времени от выбора пространственной системы отсчета. Соот­ветственно абсолютным временем называется время, не зависящее от выбора пространственной системы координат, протекающее единооб­разно на всех движущихся одна относительно другой системах отсче­та, - последовательность моментов, наступающих одновременно во всех точках пространства. В классической физике существовало представление о потоке времени, который не зависит от реальных движений тела, - о времени, которое течет во всей Вселенной с од­ной и той же быстротой. Какой реальный процесс лежит в основе по­добного представления об абсолютном времени, о мгновении, однов­ременно наступающем в отдаленных пунктах пространства?

Вспомним условия отождествления времени в разных точках пространства.

Время события, происшедшего в точке а₁, и время события, происшелшего в точке а₂ можно отождествить, если события связаны мгновенным воздействием одного события на другое. Пусть в точке а₁ находится твердое тело, соединенное абсолютно жестким, совер­шенно недеформирующимся стержнем с телом, находящимся в точке а₂. Толчок, полученный телом в точке а₁, мгновенно, с бесконечной скоростью, передается через стержень телу в точкеа₂. Оба тела сдвинутся в одно и то же мгновение. Но все дело в том, что в при­роде нет абсолютно жестких стержней, нет мгновенных действий од­ного тела на другое. Взаимодействия тел передаются с конечной скоростью, никогда не превышающей скорости света. В стержне, сое­диняющем тела, при толчке возникает деформация, которая распрост­раняется с конечной скоростью от одного конца стержня к другому, подобно тому, как световой сигнал идет с конечной скоростью от источника света к экрану. В природе нет мгновенных физических процессов, соединяющих события, происшедшие в удаленных один от другого пунктах пространства. Понятие "один и тот же момент вре­мени" имеет абсолютный смысл, пока мы не сталкиваемся с медленны­ми движениями тел и можем приписать бесконечную скорость светово­му сигналу, толчку, переданному через твердый стержень или любому другому взаимодействию движущихся тел. В мире быстрых движений, при сравнении с которыми распространению света и взаимодействию между телами уже нельзя приписывать бесконечно большую скорость,

- в этом мире понятие одновременности имеет относительный смысл, и мы должны отказаться от привычного образа единого времени, те­кущего во всей Вселенной, - последовательности одних и тех же, одновременных, моментов в различных пунктах пространства.

Классическая физика исходит из подобного образа. Она допус­кает, что одно и то же мгновенно наступает повсюду - на Земле, на Солнце, на Сириусе, на внегалактических туманностях, отстоящих от нас так далеко, что их свет идет к нам миллиарды лет.

Если бы взаимодействия тел (например силы тяготения, связы­вающие все тела природы) распространялись мгновенно, с бесконеч­ной скоростью, мы могли бы говорить о совпадении момента, когда одно тело начинает воздействовать на другое, и момента, когда второе тело, удаленное от первого, испытывает это воздействие. Назовем воздействие тела на удаленное от него другое тело сигна­лом. Мгновенная передача сигнала - основа отождествления момен­тов, наступивших в отдаленных пунктах пространства. Такое отож­дествление можно представить в виде синхронизации часов. Задача состоит в том, чтобы часы в в точке а₁ и в точке а₂ показывали одно и то же время. Если существуют мгновенные сигналы, эта зада­ча не составляет труда. Часы можно было бы синхронизировать по радио, световым сигналом, выстрелом из пушки, механическим им­пульсом (посадить, например, стрелки часов в а₁ и в а₂ на один длинный абсолютно жесткий вал), если бы радиоприемник, свет, звук и механические напряжения в вале передавались с бесконечно боль­шой скоростью. В этом случае мы могли бы говорить о чисто прост­ранственных связях в природе, о процессах, протекающих в нулевой промежуток времени. Соответственно трехмерная геометрия имела бы реальные физические прообразы. Пространство в этом случае мы бы могли рассматривать вне времени, и такой взгляд давал бы точное представление о действительности. Временные мгновенные сигналы служат прямым физическим эквивалентом трехмерной геометрии. Мы видим, что трехмерная геометрия находит прямой прообраз в класси­ческой механике, которая включает представление о бесконечной скорости сигналов, о мгновенном распространении взаимодействий между отдаленными телами. Классическая механика допускает, что существуют реальные физические процессы, которые могут быть с аб­солютной точностью описаны мгновенной фотографией. Мгновенная фо­тография, разумеется стереоскопическая - это как бы трехмерное пространственное сечение пространственно-временного мира, это че­тырехмерный мир событий, взятый в один и тот же момент. Бесконеч­но быстрое взаимодействие - процесс, который может быть описан в пределах мгновенной временной картины мира.

Но теория поля как реальной физической среды исключает мгно­венное ньютоново дальнодействие и мгновенное распространение сиг­налов через промежуточную среду. Не только звук, но и свет, и ра­диосигналы имеют конечную скорость. Скорость света - предельная скорость сигналов.

Каков же в этом случае физический смысл одновременности? Что соответствует последовательности одних и тех же для всей Вселен­ной моментов? Что соответствует понятию единого времени, единооб­разно протекающего во всем мире?

Мы можем найти некоторый физический смысл понятия одновре­менности и таким образом придать самостоятельную реальность чисто пространственному аспекту бытия, с одной стороны, и абсолютному времени - с другой, даже в том случае, когда все взаимодействия распространяются с конечной скоростью. Но условием для этого слу­жит существование неподвижного в целом мирового эфира и возмож­ность определить скорости движущихся тел абсолютным образом, от­нося их к эфиру как единому привилегированному телу отсчета.

Представим себе корабль с экранами на носу и на корме. в центре корабля на равных расстояниях от обоих экранов зажигают фонарь. Свет фонаря одновременно достигает экранов, и мгновения, когда это происходит можно отождествить. Свет падает на экран, находящийся на носу корабля в то же самое мгновение, что и на эк­ран, находящийся на корме. Таким образом, мы находим физический прообраз одновременности.

Синхронизация с помощью световых сигналов, одновременно при­бывающих в два пункта из источника, расположенного на равном расстоянии от них, возможна, если источник света и указанные два пункта покоятся в мировом эфире, т.е. когда корабль неподвижен по отношению к эфиру. Синхронизация возможна и в том случае, когда корабль движется в эфире. В указанном случае свет дойдет до экра­на на носу корабля немного позже, а до экрана на корме - немного раньше. Но, зная скорость корабля относительно эфира, мы можем определить опережение луча, идущего к экрану на корме и запазды­вание луча, идущего к экрану на носу, и, учитывая указанные опе­режение и запаздывание, синхронизировать часы, установленные на корме и на носу корабля. Мы можем, далее, синхронизировать часы на двух кораблях, движущихся относительно эфира с различными, но постоянными, известными нам скоростями. Но для этого также необ­ходимо, чтобы скорость кораблей относительно эфира имела опреде­ленный смысл и определенное значение.

Здесь возможны два случая. Если корабль при движении пол­ностью увлекает за собой эфир, находящийся между фонарем и экра­нами, то не произойдет запаздывания луча, идущего к экрану на но­су корабля. При полном увлечении эфира, корабль не смещается от­носительно эфира, находящегося над его палубой, а скорость света относительно корабля не будет зависеть от движения корабля. Тем не менее, мы сможем зарегистрировать зарегистрировать движение корабля с помощью оптических эффектов. По отношению к кораблю скорость света не изменится, но она изменится по отношению к бе­регу. Пусть корабль движется вдоль набережной: на набережной - два экранаа₁ и а₂, причем расстояние между ними равно расстоянию между экранами на корабле. Когда экраны на движущемся корабле оказались против экранов на набережной, в центре корабля зажига­ется фонарь. Если корабль увлекает за собой эфир, то свет фонаря дойдет одновременно до экрана на корме и до экрана на носу, но в этом случае свет дойдет в различные моменты до экранов на непод­вижной набережной. В одном направлении скорость движения корабля относительно набережной будет прибавляться к скорости света, а в другом направлении скорость движения корабля нужно будет вычесть из скорости света. Такой результат - различные скорости света от­носительно берега - получится, если корабль увлекает эфир. Если же корабль не увлекает эфир, то свет будет двигаться с одной и той же скоростью относительно берега и с различной скоростью от­носительно корабля. Таким образом, изменение скорости света ока­жется результатом движения корабля в обоих случаях. Если корабль движется, увлекая эфир, то меняется скорость относительно берега; если же корабль не увлекает эфир, то меняется скорость света от­носительно самого корабля.

В середине XIX века техника оптических экспериментов и изме­рений позволила уловить очень небольшие различия в скорости све­та. Оказалось возможным проверить, увлекают движущиеся тела эфир, или не увлекают. В 1851 г. Физо (1819 - 1896) доказал6 что тела не увлекают полностью эфир. Скорость света, отнесенная к непод­вижным телам, не меняется, когда свет проходит через движущиеся среды. Физо пропускал луч света через неподвижную трубку, по ко­торой текла вода. По существу вода играла роль корабля, а трубка

- неподвижного берега. Результат опыта Физо привел к картине дви­жения тел в неподвижном эфире без увлечения эфира. Скорость этого движения можно определить по запаздыванию луча, догоняющего тело (например, луча направленного к экрану на носу движущегося кораб­ля), по сравнению с лучом, идущим навстречу телу (например, по сравнению с лучом фонаря, направленным к экрану на корме). Тем самым можно было, как казалось тогда, отличить тело, неподвижное относительно эфира, от тела, движущегося в эфире. В первом ско­рость света одна и та же во всех направлениях, во втором на меня­ется в зависимости от направления луча. Существует абсолютное различие между покоем и движением, они отличаются друг от друга характером оптических процессов в покоющихся и движущихся средах.

Подобная точка зрения позволяла говорить об абсолютной од­новременности событий и о возможности абсолютной синхронизации часов. Световые сигналы достигают точек, расположенных на одном и том же расстоянии от неподвижного источника, в одно и то же мгно­вение. Если же источник света и экраны движутся относительно эфи­ра, то мы можем определить и учесть запаздывание светового сигна­ла, вызванное этим движением, и считать одним и тем же мгновением

1) момент попадания света на передний экран с поправкой на запаз­дывание и 2) момент попадания света на задний экран с поправкой на опережение. Различие в скорости распространения света будет свидетельствовать о движении источника света и экранов по отноше­нию к эфиру - абсолютному телу отсчета.

Эксперимент, который должен был показать изменение скорости света в движущихся телах и соответственно абсолютных характер движения этих тел, был выполнен в 1881 г. Майкельсоном (1852 -

1931). В последствии его не раз повторяли. По существу, экспери­мент Майкельсона соответствовал сравнению скорости сигналов, иду­щих к экранам на корме и на носу движущегося корабля, но в ка­честве корабля была использована сама Земля, движущаяся в прост­ранстве со скоростью около 30 км/сек. Далее, сравнивали не ско­рость луча, догоняющего тело и луча, идущего навстречу телу, а скорость распространения света в продольном и поперечном направ­лениях. В инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так назы­ваемом интерферометре, один луч шел по направлению движения Земли

- в продольном плече интерферометра, а другой луч - в поперечном плече. Различие в скоростях этих лучей должно было продемонстри­ровать зависимость скорости света в приборе от движения Земли.

Результаты эксперимента Майкельсона оказались отрицательны­ми. На поверхности Земли свет движется с одной и той же скоростью во всех направлениях.

Такой вывод казался крайне парадоксальным. Он должен был привести к принципиальному отказу от классического правила сложе­ния скоростей. Скорость света одна и та же во всех телах, движу­щихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно. Свет проходит с неизменной скоростью, приблизительно равной 300000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет. Свет - это путник, кото­рый идет по полотну железной дороги, между путями, с одной и той же скоростью относительно встречного поезда, относительно поезда, идущего в том же направлении, относительно самого полотна, отно­сительно пролетающего над ним самолета и т.д., или пассажир, ко­торый движется по вагону мчащегося поезда с одной и той же ско­ростью относительно вагона и относительно Земли.

Чтобы отказаться от классических принципов, казавшихся со­вершенно очевидными и непререкаемыми, понадобилась гениальная си­ла и смелость физической мысли. Непосредственные предшественники Эйнштейна подошли очень близко к теории относительности, но они не могли сделать решающего шага, не могли допустить, что свет не кажущимся образом, а в действительности распространяется с одной и той же скоростью относительно тел, которые смещаются одно от­носительно к другому.

Лоренц (1853-1928) выдвинул теорию, сохраняющую неподвижный эфир и классическое правило сложения скоростей и вместе с тем совместимую с результатами опытов Майкельсона. Лоренц предполо­жил, что все тела при движении испытывают продольное сокращение, они уменьшают свою протяженность вдоль направления движения.

Если все тела сокращают свои продольные размеры, то нельзя обнаружить подобное сокращение непосредственным измерением, нап­ример прикладыванием линейки с делениями к движущемуся стержню. При этом движется и линейка и соответственно уменьшаются ее длина и размеры нанесенных на нее делений. Лоренцово сокращение компен­сирует изменения скорости света, вызванные движением тела относи­тельно эфира. Луч света движется медленнее в продольном плече ин­терферометра, но само плечо, благодаря движению, стало короче, и свет проходит свой путь в продольном плече в течение того же вре­мени, что и в поперечном плече. Различие в скорости света в силу этого компенсируется и не может быть обнаружено. Таким образом Лоренц рассматривает обнаруженное Майкельсоном постоянство ско­рости света как чисто феноменологический результат взаимной ком­пенсации двух эффектов движения: уменьшение скорости света и сок­ращения проходимого им расстояния. С такой точки зрения класси­ческое правило сложения скоростей остается незыблемым. Абсолютный характер движения сохраняется - изменение скорости света сущест­вует; следовательно, движение может быть отнесено не к другим те­лам, равноправным эфиру, а к универсальному телу отсчета - непод­вижному эфиру. Сокращение носит абсолютный характер - существует истинная длина стержня, покоящегося относительно эфира, иными словами, стержня, покоящегося в абсолютном смысле.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879-1955) опубликовал статью "К электродинамике движущихся тел". В этой статье изложена теория, исключающая существование абсолютного тела отсчета и привилегиро­ванной системы координат для прямолинейного и равномерного движе­ния. Теория Эйнштейна исключает абсолютное, независимое от прост­ранственной системы отсчета время и отказывается от классического принципа сложения скоростей. Эйнштейн исходит из субстанциональ­ного постоянства скорости света, из того, что скорость света действительно одна и та же в различных, движущихся одна по отно­шению к другой системах. У Лоренца абсолютное движение тел приво­дит к изменению скорости света в этих телах, и, таким образом, обладает реальным физическим смыслом. Оно - это абсолютное движе­ние - прячется от наблюдателя в силу сокращения продольных масш­табов, затушевывающего оптический эффект абсолютного движения. У Эйнштейна абсолютное движение не прячется от наблюдателя, а прос­то не существует.

Если движение относительно эфира не вызывает никаких эффек­тов в движущихся телах, то оно является физически бессодержатель­ным понятием.

Оптические процессы в теле не могут быть критерием его рав­номерного и прямолинейного движения. Равномерное и прямолинейное движение тела А не изменяет хода оптических процессов, оно имеет относительный смысл, должно быть отнесено к другому телу В и сос­тоит оно в изменении расстояния между А и В.Мы можем с одним и тем же правом присвоить роль тела отсчета, т.е. приписать непод­вижность как телу А, так и телу В; фраза "тело А движется относи­тельно тела В" и "тело В движется относительно тела А" описывает одну и ту же ситуацию. Только такой смысл имеет равномерное и прямолинейное движение. Оно отнесено к конкретным телам; мы можем отнести движение тела А к различным телам отсчета, получить раз­личные значения его скорости, и никакое абсолютное тело отсчета типа эфира не должно фигурировать в научной картине мира. Движе­ние тел относительно эфира и, следовательно, движение эфира отно­сительно тел не имеют физического смысла.

Тем самым из физической картины мира устраняется понятие единого времени, охватывающего всю Вселенную. Здесь Эйнштейн по­дошел к самым коренным проблемам науки - к проблемам пространс­тва, времени и их связи друг с другом.

Если нет мирового эфира, то нельзя приписать некоторому телу неподвижность и на этом основании считать его началом неподвиж­ной, в абсолютном смысле, привилегированной системы координат. Тогда нельзя говорить и об абсолютной одновременности событий, нельзя утверждать, что два события, одновременные в одной системе координат, будут одновременными и во всякой другой системе коор­динат.

Вернемся к кораблю с экранами на корме и на носу и к набе­режной, на которой также установлены экраны. Когда вспышка фонаря одновременно осветила экраны, мы можем говорить, что освещение экрана на корме и на носу - одновременные события. В системе ко­ординат, связанной с кораблем, эти события действительно одновре­менны. Но мы не остановились на этой констатации и считали воз­можным говорить об одновременности в абсолютном смысле. Тот факт, что при движении корабля экраны освещаются не одновременно, нас не смущал, мы учитывали запаздывание света, догоняющего корабль, т.е. идущего от фонаря к экрану на носу. Мы всегда могли восполь­зоваться абсолютно неподвижной, связанной с эфиром системой отс­чета и перейти от движущегося корабля к неподвижной набережной и убедиться, что в этой "неподвижной", "истинной", "абсолютной", "привилегированной" системе отсчета свет распространяется во все стороны с постоянной скоростью, а в других, движущихся, системах, он меняет скорость. До теории Эйнштейна слова "неподвижная", "привилегированная", "абсолютная" система отсчета не ставились в кавычки: все были убеждены в существовании внутреннего критерия движения - различия в ходе оптических процессов в неподвижных (в абсолютном смысле, относительно неподвижного мирового эфира) те­лах и в движущихся (также в абсолютном смысле) телах. Синхрониза­ция часов казалась возможной даже в том случае, когда речь шла о часах, расположенных в двух системах, из которых одна движется относительно другой.

Когда корабль движется вдоль набережной, свет достигает эк­ранов на корабле в различные моменты времени; но мы считали эти моменты различными потому, что видели экраны на набережной, отож­дествляли мгновения, когда свет попадает на эти неподвижные экра­ны, приписывали абсолютный характер одновременности, зарегистри­рованной в неподвижной системе отсчета. Теперь от всего этого приходится отказаться. С точки зрения теории относительности, на­ходясь на корабле и не видя набережной, нельзя найти доказатель­ства неодновременности освещения экранов на носу и на корме. Мы считали эти моменты неодновременными, потому что во время расп­ространения света от фонаря к экранам корабль сдвинулся по отно­шению к набережной, а эту набережную мы признаем неподвижной в абсолютном смысле. Сверяя часы с помощью экранов на набережной, т,е, считая одновременными мгновения, когда свет достиг этих не­подвижных экранов, мы, естественно, должны различать моменты, когда свет доходит до экранов на движущемся корабле. Но если дви­жение корабля и неподвижность набережной не имеют абсолютного ха­рактера, мы можем таким же правом рассматривать корабль в качест­ве неподвижного тела отсчета. Тогда набережная движется, и на на­бережной свет достигает береговых экранов в различные моменты времени. Спор о том, какая система отсчета неподвижна в абсолют­ном смысле, беспредметен, если нет абсолютно покоящегося тела отсчета - мирового эфира. События, одновременные в одной системе отсчета, неодновременны в другой системе.

Если нет абсолютной одновременности, то нет абсолютного вре­мени, протекающего единообразно во всех смещающихся одна относи­тельно другой системах. Время зависит от движения.

Какова эта зависимость, как изменяется ход времени при пере­ходе из одной системе к другой? Еще до появления работы Эйнштейна Лоренц утверждал, что при сокращении продольных масштабов в дви­жущихся системах будет вместе с тем замедляться ход часов. Сокра­щение масштабов и замедление хода часов как раз и будет компенси­ровать изменение скорости света в движущихся системах. Поэтому замедление хода часов, как и сокращение масштабов, можно вычис­лить, исходя из постоянства скорости света.

У Эйнштейна сокращение продольных пространственных масштабов и замедление времени в движущихся системах имеет совсем другой смысл, чем у Лоренца. Время замедляется не по сравнению с "истин­ным", "абсолютным" временем, текущим в неподвижных относительно эфира, т.е. в абсолютно неподвижных, системах. Длина продольно движущегося стержня сокращается не по сравнению с некоторой "ис­тинной" и "абсолютной" длиной стержня, покоящегося в эфире. С точки зрения Эйнштейна, сокращение масштабов (как и замедление времени) взаимно. Если система К^' движется относительно системы К, то с таким же правом можно сказать, что система К движется от­носительно системы К^'. Длина стержня, измеренная в системе К, от­носительно которой он покоится, окажется меньше, если ее изме­рить в системе К^'. Но, в свою очередь, стержень, покоящийся в системе К^', окажется короче при измерении в системе К. Речь идет о вполне реальном измерении длины, но понятие "реальное измере­ние" не означает существование неизменной абсолютной "привилеги­рованной" длины.Причиной лоренцова сокращения служит реальный процесс взаимного движения систем - процесс, в котором обе систе­мы играют совершенно равноценную роль. Лоренцово представление о реальном сокращении длины стержня по сравнению с неизменной, "ис­тинной" длиной стержня, покоящегося в абсолютном смысле, - это более "классическое", но вовсе не более естественное представле­ние, чем представление Эйнштейна о взаимном сокращении масштабов в системах, движущихся одна по отношению к другой. Взаимное пере­мещение тел, изменение их взаимных расстояний легче представить себе, чем абсолютное движение, отнесенное к пустому пространству либо к однородному эфиру.

Идеи, высказанные Эйнштейном в 1905 году, уже в ближайшие годы заинтересовали очень широкие круги. Люди чувствовали, что теория, с такой смелостью посягнувшая на традиционные представле­ния о пространстве и времени, не может не привести при своем раз­витии и применении к очень глубоким производственно-техническим и культурным сдвигам. Разумеется, только теперь стал ясен путь от абстрактных рассуждений о пространстве и времени к представлению о колоссальных запасах энергии, таящихся в недрах вещества и жду­щих своего освобождения, чтобы изменить облик производственной техники и культуры. Попытаемся несколькими штрихами обрисовать этот путь, хотя две-три фразы не могут дать представления о цепи глубоких и сложных математических построений, о многократном пе­ресмотре самых, казалось бы, очевидных и прочных концепций клас­сической физики.

Эйнштейн вывел из постоянства скорости света в движущихся телах невозможность для этих тел превысить скорость света. Тем самым из картины мира исключаются мгновенные, распространяющиеся с бесконечной скоростью, воздействия одного физического объекта на другой. Исключаются также воздействия, распространяющиеся с конечной скоростью, превышающей скорость света. Два события могут быть связаны друг с другом причинной связью, одно событие может быть причиной второго, если время, прошедшее между событиями, не меньше времени, необходимого свету, чтобы пройти расстояние между точками, где произошли эти события. Такое представление о при­чинной связи между событиями можно назвать релятивистским, в от­личие от классического представления, допускавшего, что событие в одной точке может повлиять на событие в другой точке при сколь угодно малом промежутке времени между событиями.

Сопоставляя релятивистскую причинность с классической, можно увидеть некоторую существенную для истории науки связь между ме­ханической картиной мира и ее релятивистским обобщением. Причин­ная связь между двумя событиями в отдаленных точкаха₁ и а₂ сос­тоит в том, что событие в точке а₁ вызывает отправление некоторо­го сигнала, который, прибыв в точку а₂, вызывает здесь второе со­бытие. Первым событием может быть, например, выстрел, а вторым - попадание снаряда в цель. Причинная связь состоит в движении сна­ряда, играющего в этом примере роль сигнала. Бесконечная скорость сигнала означала бы, что причина (отправление передающего воз­действия сигнала из а₁) и следствие (его приход в а₂) возникают одновременно. Следовательно, причинная связь может быть представ­лена в чисто пространственном аспекте. Чтобы придать понятию при­чинной связи пространственно-временной вид, нужно найти предел скоростей, и он был найден в постоянной скорости распространения электромагнитного поля.

Обобщение, о котором идет речь, связано с новой трактовкой условий тождественности движущегося объекта. Тождественным себе может быть объект, движение которого подчинено условию: расстоя­ние между точками а₁ и а₂ пребывания тела в моменты t₁ и t₂ не должно быть больше, чем скорость света, умноженная наt₁-t₂. Если это условие не соблюдено, то перед нами не движущийся тождествен­ный себе объект, а различные нетождественные объекты.

Обратимся теперь к динамическим выводам из существования границы механических скоростей.

Если тело движется со скоростью, близкой к скорости света, и на него начинает действовать дополнительная сила, то ускорение не может быть таким, чтобы тело достигло скорости, превышающей ско­рость света. Чем ближе к скорости света, тем больше тело сопро­тивляется силе, тем меньшее ускорение вызывает одна и та же при­ложенная к телу сила. Сопротивление тела ускорению, т.е. масса тела, растет со скоростью и стремится к бесконечности, когда ско­рость тела приближается к скорости света. Таким образом, масса тела зависит от скорости его движения, она растет при растет при возрастании скорости и пропорциональна энергии движения. Что ка­сается массы покоящегося тела, она связана определенным отношени­ем с внутренней энергией - энергией покоящегося тела. Эта энергия равна массе покоя, умноженной на квадрат скорости света. Если энергия движения тела переходит в его внутреннюю энергию (напри­мер, тепловую энергию или энергию химических связей), от соот­ветственно возрастанию энергии возрастает масса покоя.

Но масса покоя отнюдь не равна сумме заключенной в теле теп­ловой, химической и электрической энергии, деленной на квадрат скорости света. Этой сумме соответствует очень небольшая часть всей энергии покоя. Переход энергии движения двух тел в энергию покоя, например при неупругом соударении этих тел, увеличивает энергию на ничтожную величину по сравнению со всей энергией по­коя. В свою очередь переход теплоты в энергию движения тел умень­шает энергию покоя (и массу покоя) на ничтожную долю. Тело с тем­пературой, равной абсолютному нулю, с нулевой химической и элект­рической энергией обладало бы энергией покоя и массой покоя, лишь в ничтожной мере уменьшившимися по сравнению с телом обычной тем­пературы и с обычными запасами химической и электрической энер­гии.

До середины нашего столетия во всех областях техники исполь­зовали лишь подобные ничтожные изменения энергии покоя и массы покоя тел. Сейчас появились практически применяемые реакции, при которых затрачивается или пополняется основной массив заключенной в веществе энергии покоя.

В современной физике существует представление о полном пере­ходе энергии покоя в энергию движения, т.е. о превращении части­цы, обладающей массой покоя, в частицу с нулевой массой покоя и очень большой энергией движения и массой движения. Такие переходы наблюдаются в природе. До практического применения подобных про­цессов еще далеко. Сейчас используются процессы, освобождающие внутреннюю энергию атомных ядер. Атомная энергетика оказалась ре­шающим экспериментальным и практическим доказательством теории относительности Эйнштейна.

Разумеется в 1905 г., когда была опубликована первая статья Эйнштейна о теории относительности, никто не мог предвидеть конк­ретных путей научно-технической революции, призванной воплотить в жизнь новое учение о пространстве, времени и движении. В теории относительности видели поразительно глубокое, стройное и смелое обобщение и истолкование уже известных экспериментальных данных, прежде всего фактов, свидетельствующих о постоянстве скорости света, о ее независимости от прямолинейного и равномерного движе­ния системы, через которую проходит световой луч.

Вместе с тем ученые понимали, что, отвергнув, казалось бы очевидное, классическое понятие одновременности, отказавшись от не менее очевидного классического правила сложения скоростей, до­пуская и обсуждая парадоксальные, на первый взгляд, выводы, физи­ка овладевает очень мощным оружием.

Покинув пристань ньютоновской механики, бросив вызов "оче­видности", не ограничивая отныне свои пути традиционным фарвате­ром, наука может открыть новые берега. Какие плоды зреют на этих берегах, что получит практика от новых теоретических обобщений, тогда еще не знали. Существовала лишь, как уже было сказано, ин­туитивная уверенность, что смелости и широте новых идей должны соответствовать некоторые коренные технические культурные сдвиги.

Как бы то ни было, дело было сделано. В науку были пущены идеи, которым предстояло революционизировать учение о космосе и микромире, учение о движении и энергии, представление о прост­ранстве и времени, а впоследствии стать основой атомной энергети­ки. Эти идеи стали жить своей ж