Два важных следствия

Из специальной теории относительности вытекают два важных следствия. Они касаются взаимозависимости между массой и скоростью, а также между массой и энергией. Диалектический характер этих проблем представляется очевидным. Найденное Эйнштейном решение выходит по своему значению далеко за пределы круга результатов, представляющих чисто научный интерес.

До Эйнштейна инертная масса, т.е. инерциальное сопротивление тела, рассматривалась как неизменная величина. Это соответствовало механистически-метафизическим представлениям ньютоновской натурфилософии. Еще в 1895 г. в докладе на Собрании естествоиспытателей в Любеке Освальд ссылался на классическое представление о неизменности массы. Однако вскоре после этого, в 1901 г., физики-экспериментаторы обнаружили в опытах с быстро движущимися электронами, что масса электрона возрастает при увеличении скорости. Теперь этот факт получил научное обоснование в эйнштейновской теории относительности.

Пока скорость движущегося тела мала по сравнению со скоростью света, возрастание массы, обусловленное движением, остается незначительным. Поэтому в классической механике, имеющей дело с малыми скоростями больших тел, такое возрастание не обнаруживается. Наоборот, в релятивистской механике увеличение массы играет важную роль. Правильность этого вывода Эйнштейна была практически доказана атомной физикой, когда были созданы гигантские установки для ускорения элементарных частиц.

Второе следствие еще более важно. Его значение выходит далеко за пределы физики и техники. Оно определяет судьбы народов и будущее всего человечества.

Вскоре после опубликования статьи «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн писал своему другу Конраду Габихту: «Мне пришло в голову еще одно следствие электродинамической работы. Из принципа относительности в сочетании с фундаментальными уравнениями Максвелла следует, что масса должна быть непосредственной мерой энергии, содержащейся в теле; свет переносит массу. У радия должно происходить заметное убывание массы. Это соображение радует и подкупает. Однако не смеется ли по этому поводу и не водит ли меня за нос господь бог - этого я не могу знать».

Результаты, вытекающие из такого «радующего и подкупающего соображения», Эйнштейн изложил в уже упоминавшейся выше статье о связи между инерцией тела и содержащейся в нем энергий. Упомянутая статья объемом в три печатных страницы принадлежит к самым коротким и в то же время ни с чем не сравнимым по важности последствий публикациям в мировой истории естествознания. Она содержит основные положения закона об эквивалентности массы и энергии. Закон изменения массы со скоростью имеет вид:

где m -масса движущегося тела, mo - масса покоя. Отсюда, масса тела и его энергия оказываются связанными величинами: масса тела есть мера содержащейся в нем энергии. Если энергия Е меняется на величину АЕ, то масса меняется соответственно на величину Am.

Математическим выражением закона Эйнштейна является всемирно знаменитая, теперь уже почти вошедшая в поговорку формула E = тс2. Она гласит, что любой перенос энергии (Е) всегда связан с переносом соответствующей массы (т), а квадрат скорости света с играет здесь роль коэффициента пропорциональности. Эта формула также трактуется как выражение, описывающее «превращение» массы в энергию. Именно на этом представлении основано объяснение так называемого дефекта массы. В механических, химических, тепловых и электрических процессах он слишком мал и поэтому оставался незамеченным. Однако в атомной физике он имеет большое значение. Дефект массы заключается в том, что сумма масс отдельных составных частей атомного ядра может быть больше массы атомного ядра в целом. Это следует понимать таким образом, что недостающая масса превратилась в энергию связи, необходимую для удержания в ядре входящих в его состав частей. Атомная энергия есть не что иное, как превратившаяся в энергию масса. В искусственно вызываемых ядерных реакциях происходит освобождение этой могучей энергии.

Открытая Эйнштейном эквивалентность массы и энергии позволила упростить все физические законы сохранения. Оба закона - сохранения массы и сохранения энергии, - до этого существовавшие отдельно друг от друга, превратились теперь в один общий закон, который можно сформулировать следующим образом: для замкнутой материальной системы сумма массы и энергии остается неизменной при любых процессах.

Главным выводом теории относительности Эйнштейна является как раз установление того, что пространство и время существуют не сами по себе, в отрыве от материи, а находятся в такой тесной универсальной взаимосвязи, в которой они теряют самостоятельность и выступают как относительные стороны единого и неделимого пространства-времени. Наукой доказано, что течение времени и протяжённость тел зависят от скорости движения этих тел, и что структура или геометрические свойства этого четырёхмерного континуума (пространства-времени) изменяются от скопления масс вещества и порождаемого ими поля тяготения. Тяготение - это искривление пространства-времени. Это предположение было подтверждено в 1919 г. астрономическими наблюдениями, показавшими, что луч света звезды как

прообраз прямой линии искривляется вблизи Солнца вследствие его поля тяготения.

В создании современной теории пространства и времени сыграли большую роль идеи Лобачевского, Римана, Маха, Гаусса, Эйнштейна и других учёных. Открытие неевклидовой геометрии опровергло кантовское учение о пространстве и времени как о внеопытных формах чувственного восприятия. Исследования Бутлерова, Фёдорова и их последователей обнаружили зависимость пространственных свойств от физической природы материальных тел, обусловленность физико-химических свойств материи пространственным расположением атомов.

В настоящее время в философской литературе определились несколько значений, в которых употребляются понятия пространства и времени: наиболее распространенные значения - реальное, перцептуальное и концептуальное пространство и время.

Под реальным пространством и временем понимаются условия сосуществования и смены состояний материальных объектов и явлений, объективно реальные формы существования материи. Перцептуальные пространство и время суть условия сосуществования и смены наших ощущений и других психических актов субъекта. Концептуальные же пространство и время представляют собой абстрактные математические структуры, которые могут моделировать реальные пространственно-временные отношения.

Перцептуальные пространство и время отражают реальное пространство и время на уровне чувственного опыта индивидуума. На рациональном же уровне познания отражением реального пространства и времени выступают концептуальные пространство и время. При изучении роли и места понятий пространства и времени в структуре физической теории интерес представляют в первую очередь концептуальные пространство и время как элементы теоретического знания.

В широком смысле под концептуальным пространством понимается множество, в котором введены определенные системы отношений между элементами. Примером таких отношений между элементами служат метрические отношения, вводимые с помощью «аксиом расстояния».

Все концептуальные пространства можно условно разделить на три типа. Это концептуальные пространства:

1)   чистой геометрии, не имеющие эмпирической интерпретации и не используемые в физике;

2)  не имеющие явной эмпирической интерпретации, но используемые в физике в качестве удобного математического формализма. В дальнейшем эти пространства могут получить эмпирическую интерпретацию и перейти в разряд физических пространств;

3)  физики, которые получили в рамках данной теории эмпирическую интерпретацию и входят в структуру физической теории.

Принцип зависимости пространства от находящейся в ней материи получил в физической литературе название «принцип Маха». В своей «Механике» Мах показывает недостаточную логическую оправданность ряда предпосылок ньютоновской механики, принимавшихся до этого времени в физике как нечто самоочевидное. В классической механике ряд физических явлений объясняется через отнесение их к абсолютному пространству. Мах же объясняет их по-другому. Вот как он, например, опровергает знаменитый ньютоновский эксперимент с вращающимся сосудом, с помощью которого якобы обнаруживается «абсолютное пространство». «Опыт Ньютона с вращающимся сосудом с водой показывает только то, что относительное вращение воды по отношению к стенкам не побуждает заметных центробежных сил, но эти последние побуждаются относительным вращением по отношению к массе Земли и остальным небесным телам. Никто не может сказать, как протекал бы опыт, если бы стенки сосуда становились все толще и массивнее, пока, наконец, их толщина не достигла бы нескольких миль». Хотя для Маха понятие тел (материи) «суть лишь абстракция, символы для комплексов элементов («комплексов ощущений»)», основную его мысль, можно выразить так: все, что происходит в мире, есть результат взаимодействия материальных тел.

Эйнштейн воспринял у Маха принцип относительности пространства, но интерпретировал его с естественнонаучных, стихийно-материалистичских позиций. Сам термин «принцип Маха» впервые появился в 1918 г. в работе Эйнштейна «Принципиальное содержание общей теории относительности» и был определен так: «G - поле (гравитационное) полностью определено массами тел».

В этой же статье Эйнштейн писал: «Теория, как мне кажется сегодня, покоится на трех основных положениях, которые ни в коей степени не зависят друг от друга... а) Принцип относительности... ; б) Принцип эквивалентности... ; в) Принцип Маха».

Возникает необходимость проанализировать значение для пространственно-временного описания принципа наблюдаемости, тем более, что некоторые авторы полагают, что понятия пространства и времени должны быть изгнаны из физики микромира как ненаблюдаемые.

Часто выделяют три основных значения термина «наблюдаемость»: 1 ) непосредственная наблюдаемость; 2) принципиальная наблюдаемость; 3) опытная проверяемость. Непосредственная наблюдаемость предполагает наличие в структуре физической теории лишь тех величин, которые имеют операциональные определения. Принципиальная наблюдаемость требует только принципиальной возможности прямого или косвенного измерения физических величин. И, наконец, опытная проверяемость связана с проверкой не самого физического положения, входящего в структуру физической теории, а тех следствий из теории, которые проверяются на практике. Общеизвестно, что в первом смысле термин «наблюдаемость» в современной физике не употребляется. Вопрос о том, «работают» ли в естествознании две другие («ослабленные») формулировки этого термина, вызывает споры. Так, некоторые авторы считают, что термин «наблюдаемость» применительно к пространству и времени, как и к другим теоретическим объектам, можно применять лишь в третьем, самом «слабом» его значении. По их мнению, абсолютное пространство и абсолютное время в классической механике Ньютона принципиально не наблюдаемы, но их применение в теории ведет к опытно проверяемым следствиям. Отметим, однако, что с современной точки зрения классическую механику модно изложить без привлечения понятия абсолютного пространства, о чем пойдет речь ниже.

По-видимому, в применении к понятиям пространства и времени необходимо использовать второе значение термина «наблюдаемость», в частности потому, что пространство и время связаны с самим фактом существования физических объектов. Если отказаться от принципиальной наблюдаемости, оставляя, тем не менее понятие «пространство и время» в структуре физической теории, то с необходимостью придется сделать вывод о принципиальной ненаблюдаемости описываемых физической теорией объектов.

Из изложенного следует, что понятия пространства и времени вводятся в структуры физической теории по формальному и смысловым признакам. В первом случае статус пространства и времени приобретает та часть математического формализма, которая находится ближе всего к языку наблюдений, во втором - та его часть, которая может быть достаточно удалена от непосредственного опыта, но позволяет ввести единую иконическую модель физической реальности .

Вообще говоря, понятие пространства вводится в структуру физической теории и при помощи таких математических формализмов, как абстрактные физические пространства - конфигурационное, фазовое, гильбертово и т.д. Не исключено, что некоторые из этих пространств со временем приобретут пространственно-временной статус. Этот способ вхождения понятий пространства и времени в структуру физической теории можно обозначить как абстрактный.

Формальное вхождение понятий пространства и времени в структуру физической теории связано исключительно с эмпирической интерпретацией ее формализма, смысловое же - прежде всего с семантической интерпретацией, в частности, с использованием некоторых философских или «полуфилософских» положений, таких как положение о реальности «мира Минковского», принцип Маха и т.п. Отметим, что определение физической теории как своего рода модели позволяет рассматривать эти положения не только как метатеоретические суждения, но и как элементы физической теории, что было бы невозможно, если рассматривать физическую теорию как некоторый теоретический формализм, связанный только с языком наблюдений.