Парфьонов К. В.
В свідомості людей, знайомство яких з теорією відносності обмежується відомостями з шкільних підручників, вона асоціюється насамперед з принципом відносності Ейнштейна. Недарма навіть В.Висоцький, розмірковуючи про відносності людських суджень, відразу згадав і цю теорію: В«... навіть Ейнштейн, фізичний геній, досить відносно все розумів ... В». Тим часом для фізики основне значення теорії відносності полягало в тому, що вона привела до переосмислення фізиками змісту найважливіших для їх концепцій понять - понять простору і часу. Важливість їх не викликає жодних сумнівів: якщо ми уважно проаналізуємо методи, використовувані як при експериментальному дослідженні фізичних явищ, так і при їх теоретичному описі, ми помітимо, що в їх основі лежать уявлення саме про простір і час. Ми взагалі не можемо побудувати у своїй свідомості образ реальних подій, не використовуючи характеристик В«ДеВ» і В«колиВ». І ось, приступаючи до розгляду змісту теорії відносності, нам потрібно в першу чергу простежити (дотримуючи або логічну, або історичну послідовність), як відбувався розвиток уявлень про простір і час.
В першу чергу спробуємо відповісти на питання: звідки взагалі нам відомо про їх існуванні? Зрозуміло, з досвіду. Більш того, ці поняття виникли в результаті осмислення самих перших кроків нашого вивчення навколишнього світу. Ще до появи власне людського мислення у нас формується пошуково-орієнтовний рефлекс, заснований на відчутті протяжності і мінливості предметів навколишнього світу. Логічна обробка цих відчуттів приводить нас до понять відстані і тимчасового інтервалу. Для їх вимірювання людству знадобилося визначити еталони (одиниці виміру), що представляються незмінними. Перші еталони довжини зв'язувалися у різних народів з типовими розмірами частин людського тіла, а в якості еталонних часових інтервалів розглядалися періоди астрономічних процесів (рік, доба і т.д.). Зараз в якості еталонних використовуються атомні процеси, що дозволило поліпшити точність вимірювань, але сама суть вимі
рювання як порівняння з еталоном залишилася незмінною. Які ж основні властивості простору і часу, встановлені в нашому В«звичайномуВ», повсякденному досвіді?
Простір зазвичай представляється нам безперервним - ми можемо уявити предмети наскільки завгодно малого розміру і прийти до поняття точки як елемента простору з нульовим розміром. На основі уявлень про напрямки формуліруютсяпонятія В«ПрямоїВ» і В«кутаВ», а далі ми встановлюємо тривимірність простору - через задану точку можна провести не більше трьох взаємно перпендикулярних прямих. Якщо підходити до сприйняття світу більш практично, можна помітити, що для отримання повного уявлення про розміри довільного предмета нам необхідно визначити три відстані - довжину, ширину і висоту. Крім того, ми зазвичай вважаємо, що різні точки простору розрізняються не самі по собі, а лише за наявності або відсутності поряд з ними будь-яких тіл. Говорячи точніше, ми вважаємо, що поведінка системи тіл не зміниться, якщо ми перенесемо їх в інше місце в просторі, в точності відтворивши зовнішні впливи на цю систему. Це властивість простору називають однорідністю. Аналогічно ми вважаємо, що всі напрямки в просторі однакові за властивостями, тобто що воно изотропно. Великі суперечки з давніх часів викликало питання про безмежність і нескінченності простору. Звернемо увагу: це два різних поняття. Безмежність представляється досить природним властивістю простору (Як говорили в Стародавній Греції, В«де б не встав воїн, він може протягнути своє спис ще далі В»), в той час як його нескінченність зовсім не очевидна. Можна навести як приклад одномірне простір точок кола кінцевого радіусу - воно явно звичайно, але ніяких кордонів переміщається по ньому точка не зустріне. Проте більшості мислителів стародавнього світу більш логічною здавалася картина нескінченного простору: В«... і за природою своєю настільки нескінченно простір, що навіть блискавки промінь оббігти його був би не в силах, в довгому перебігу століть нескінченно свій шлях продовжуючи В». Отже, наш досвід і логіка приводять нас до висновку: наш простір - безперервне, тривимірне, однорідне, ізотропне, безмежне і нескінченне. Більш детальне вивчення властивостей точок, прямих і кутів дозволило Евкліду зафіксувати ці властивості у вигляді системи тверджень - аксіом, на основі яких будується математичний опис геометрії простору. Її зазвичай називають евклідової геометрією, і саме її вивчають у школі.
Аналогічний аналіз властивостей часу (уважний читач без особливих зусиль може переконатися в цьому сам) приведе нас до висновку, що час ми зазвичай уявляємо собі безперервним, одномірним, однорідним, нескінченним і анізотропним. Останнє властивість відображає явне розходження напрямків у минуле і майбутнє з нашої точки зору: в майбутнє ми всі рухаємося, хоча і не по своїй волі, а в минуле ми рухатися не можемо.
Закінчуючи розбір першооснов наших уявлень про простір і час, я хочу звернути увагу на одну дуже характерну неузгодженість висновків емпіричного і логічного аналізу. Формально-логічний опис властивостей простору і часу ми будуємо, вважаючи їх В«вмістищамиВ» для тіл і подій, ніяк не спотворює ними. З іншого боку, всі вимірювання ми завжди прив'язуємо до тіл і подіям, бо не можна проводити вимірювання, не маючи еталона. Уявімо собі, наприклад, що в деякий момент часу чарівним чином одночасно всі відстані збільшилися в два рази. Чи зможемо ми це помітити за допомогою геометричних вимірювань? Зрозуміло, не зможемо, так як довжина еталонних тел теж збільшиться вдвічі і довжина будь-якого тіла в еталонних одиницях не зміниться (наприклад, довжина удава як і раніше буде дорівнює двом слоненяти, 5 мавпам або 38 папуг). Читач, знайомий з законами фізики, може вказати мені, що в наступні моменти часу синхронне зміна довжин можна буде помітити по руху тіл, так як зі зміною відстаней зміняться залежні від них сили взаємодії (Ньютонівська тяжіння, кулонівських сили і т.д.). Зауважу на це, що можна добитися повної непомітності зміни, якщо одночасно зі зміною довжин провести спеціально підібране зміна констант взаємодії (ньютонівської константи G, константи Оµ0 в законі Кулона і т.д.). Можна зробити висновок: простір і час можуть вивчатися лише за рахунок того, що вони В«наповненіВ» тілами і подіями. Але ж цей висновок дійсно суперечить уявленню про В«просторі-вмістилищеВ»! Як же фізика дозволяє це протиріччя?
Перш ніж відповідати на це питання, зауважимо, що проблема ця набагато старше будь-який з використовуваних зараз фізичних теорій. Наведу лише один приклад. Ще в ранні століття християнства один з отців церкви - св. Аврелій Августин - в ході боротьби з розповсюдженою у його час маніхейській єрессю написав ряд праць, в яких обговорювалося поняття часу. Представники манихейського вчення нерідко затівали суперечки про те, як Бог міг вибрати момент часу для створення світу в В«порожньомуВ» і однорідному часу, і про те, що Він робив В«до творінняВ». Св. Августин відповів на це, що питання виникло тільки через невірне розуміння суті знайомого нам часу: не можна вважати, що цей час існувало до нашого світу. На самому справі наш час, як і наш простір, було створене разом з нашим світом і помре разом з ним. Бог же існує зовсім в іншому часі (у вічності), недоступному людському вивченню. Таким чином, Св. Августин явно стверджував, що час і простір реляційних, тобто належать матеріального світу і є його невід'ємною частиною - без матерії вони теж зникнуть.
Реляційна концепція простору і часу чудово узгоджується і відзначеної вище роллю еталонів в просторово-часових вимірах. Більше того: після деяких роздумів можна помітити, що В«своєВ» простір і час існують в кожної системи: фізичної, хімічної, біологічної, соціальної - Кожна з них характеризується своїм набором типових розмірів (В«Просторової шкалоюВ») і набором періодів ритмічних процесі...
