Анатолий Томилин - Занимательно о космологии Страница 43

А теперь, если читатель согласен пожертвовать одним из пространственных измерений, можно попробовать изобразить мир с двумя оставшимися пространственными координатами и одной временной. Посмотрите, пожалуйста, внимательно на рисунок: перед вами, как говорят специалисты, трехмерный пространственно-временной континуум. Внутри конусов, где S2 меньше нуля, мы встречаемся с миром нормальных причинно связанных событий. Здесь промежуток между исходной мировой точкой О и любой другой, находящейся внутри данного светового конуса, таков, что сигналы имеют вполне достаточное время для прохождения из одной точки в другую со скоростью, не превышающей скорость света.

Интересно отметить, что нижний конус по отношению к точке O является областью абсолютного прошлого. Верхний конус — абсолютного будущего. И читатель, наверное, догадался сам, что центральная точка O связывается с любым исходным событием.

Световой конус прошлого включает все направления, по которым информация, переносимая светом, от небесных объектов поступает к наблюдателю. При этом наблюдатель всегда находится в той точке пространства и в тот момент времени, через которые проходит вершина светового конуса.

Один из сотрудников Эйнштейна в Принстоне, ныне профессор физики Сиракузского университета в Нью-Йорке П. Бергман, приводит в своей книге «Загадка гравитации» чрезвычайно интересный пример, поясняющий описываемую модель: «…любое направление на световом конусе прошедшего может быть сопоставлено с точкой на небесной сфере, представляющей собой ту картину, которая открывается нам, когда мы рассматриваем небо и звезды (в точности так же, как глобус отражает наше представление о Земле). Угол между двумя видимыми положениями звезд (измерение таких углов очень важно для астрономов) — это угол между двумя световыми направлениями на световом конусе прошедшего. Если два наблюдателя движутся относительно друг друга со скоростями, сравнимыми со скоростью света, то определенные ими углы между направлениями на одни и те же звезды не будут совпадать. Так и должно быть, потому что относительные положения звезд существенно зависят от движения Земли, определяемого в конкретной инерциальной системе отсчета. Однако скорость Земли за полгода меняется на две десятитысячные доли (2·10-4) от скорости света из-за годичного движения Земли вокруг Солнца. Из-за этого возникает видимое смещение звезд. Это явление известно под названием аберрации света».

Совсем иная картина ожидает нас в области вне конусов. Причинная связь с событием, находящимся вне светового конуса, невозможна в принципе, потому что требует сверхсветовой скорости.

Конечно, нарисованная картинка световых конусов никогда не остается неподвижной. Центральная точка O, в которой сидите вы, уважаемый читатель, даже если вы сидите в своей системе отсчета совершенно неподвижно, есть ваша «мировая точка». И она непрерывно ползет по оси времени, увлекая за собой, как улитка домик, световые конусы.

Введя понятие четырехмерного мира событий, Минковский внес существенный вклад в развитие теории относительности, точно так же, как и в развитие пространственно-временных представлений современной физики.

«Воззрения на пространство и время, которые я намерен развить перед вами, возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Их тенденция радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе должны превратиться в тень, и лишь некоторый вид соединения обоих должен сохранять самостоятельность» — так говорил он на собрании в Кельне перед обществом врачей и естествоиспытателей в 1908 году.

А теперь попробуем сделать предварительный и совсем небольшой вывод. Ньютонова теория удовлетворительно описывала события, принимая пространство существующим абсолютно, независимо ни от времени, ни от материи, заключенной в пространстве. Не зависело ни от чего и время, единое мировое время, идущее для всего бесконечного мира одинаково.

Скоро, однако, стали накапливаться ошибки, парадоксы, не получающие объяснения с позиций классической ньютоновой теории. И тогда усилиями Фитцджеральда, Лоренца и Пуанкаре были выдвинуты новые идеи, которые легли в основу разработанной Эйнштейном специальной теории относительности. Эта теория разрушала старые представления о мироздании. Она не отказалась от теории Ньютона, нет! По-прежнему, если события происходили со скоростями, ничтожными по сравнению со скоростью света, «старые добрые уравнения, сэра Исаака» верно служили человечеству. Новые же выводы обобщали их для субсветовых скоростей. Конечно, относительный мир Эйнштейна был далеко не таким уютным и привычным, как мир Ньютона. Ему не хватало определенности, математической фундаментальности, и, если бы автор не боялся этого слова, он бы сказал, ему не хватало «абсолютности», но абсолютности в новом, уже не в ньютоновском смысле.

И вот тут-то подошло время для упоминания о трудах Минковского. Минковский пишет: «Понятия пространства ни Эйнштейн, ни Лоренц не касались…» О Лоренце он говорит, что тот верил в существование абсолютно покоящегося эфира и абсолютного времени. Об Эйнштейне — что тот «отвергал время как понятие, „однозначно определенное событиями“». На пересмотр понятий пространства и времени Минковский претендовал сам. В своих построениях он вместо абсолютного ньютонова пространства и абсолютного ньютонова времени, отброшенных новой теорией, ввел свой абсолютный мир пространства-времени, который описывал действительность на новом уровне, более сложном, но и более близким к природе, к истине.

Идеи специальной теории относительности витали в воздухе. Их подготовило все развитие «благополучной» физики XIX века. Она созрела в недрах классической теории и потому вызвала столь небывалый резонанс в мире. Никогда еще научная теория не затрагивала так глубоко массы людей. Человечество поистине раскололось на два лагеря. К одному примкнули те, кто сумел разглядеть в новой теории грядущий прогресс и неизбежную смену мировоззрений. К другому — те, кто не смог принять новых выводов. Секретарь Французской академии наук Эмиль Пикар даже значительно позже, в 1922 году, признавался: «Теория относительности для меня все равно что красная тряпка для быка!» Однако для развития науки важно было, что проблема никого не оставила равнодушным.

Над созданием специальной теории относительности работали многие ученые. Кто же истинный автор СТО, как называют сокращенно специальную теорию относительности? Кому отдать пальму первенства?

Эйнштейн всю жизнь был очень скромным человеком. Уже в 1955 году, незадолго до смерти, он писал: «Вспоминая историю развития специальной теории относительности, мы можем с уверенностью сказать, что к 1905 году открытие ее было подготовлено. Лоренц уже знал, что преобразование, получившее впоследствии его имя, имеет существенное значение для анализа уравнений Максвелла, а Пуанкаре развил эту мысль…» В своей работе он видит новым лишь то, что она показала, «что преобразования Лоренца выходят за рамки уравнений Максвелла и касаются сущности пространства и времени».

В этом последнем замечании заключена суть роли Эйнштейна. Если у Фитцджеральда были лишь идеи, а Лоренц строил теорию, только касающуюся электрических явлений, причем «никогда не претендовал на авторство принципа относительности», оставаясь на позициях нерелятивистской классической физики, то с ролью Пуанкаре дело обстоит сложнее… Французский математик подошел к самой границе нового: «Может быть, мы должны построить совершенно новую механику, пока еще туманную, в которой инерция увеличивается со скоростью и скорость света является предельной». «Это, — как пишет философ Д. Холтон, — иллюстрирует силу его интуиции и качественный характер его указания».

«Почему, — спрашивает Луи де Бройль, — Пуанкаре не удалось перешагнуть за рамки своего собственного мышления? — и отвечает так: — Несомненно, что это произошло отчасти в силу того, что он был чистым математиком.

Он занимал довольно скептическую позицию в отношении физических теорий, считая, что вообще существует бесчисленное множество различных, но логически эквивалентных точек зрения и образов, которые ученый выбирает лишь из соображений удобства».

Работа Эйнштейна вобрала в себя мысли и идеи, носившиеся в воздухе. Он обобщил достижения своего времени и совершил прорыв в неизвестное, построив теорию пространства и времени.

Создателями новой картины мира справедливо считать и тех, чьи имена вынесены в заголовок этого раздела. Макс Планк писал в 1909 году: «Едва ли надо говорить, что новый, эйнштейновский подход к понятию времени требует от физика величайшей способности к абстракции и огромной силы воображения. По своей смелости эта теория превосходит все, что было достигнуто до сего времени в спекулятивном исследовании природы и даже в философской теории познания; …принцип относительности имеет все основания претендовать на реальное физическое значение. По своей глубине и последствиям переворот, вызванный принципом относительности в сфере физических воззрений, можно сравнить только с тем переворотом, который был произведен введением новой картины мироздания, созданной Коперником».