Глава 7 Релятивистская физика

Физика и редукционизм.

В трех последующих главах мы дадим как бы моментальную фотографию современного строения мира. Поможет нам одна из наиболее древних и фундаментальных наук — физика (от греч. «physis» — природа). Стало быть, физика — наука о природе. Физика — главная из естественных наук, поскольку она открывает истины о соотношении нескольких основных переменных, справедливые для всей Вселенной. Ее универсальность обратно пропорциональна количеству переменных, которые она вводит в свои формулы.

Как атомы и элементарные частицы — «кирпичики» мироздания, так законы физики — «кирпичики» познания. «Кирпичиками» познания законы физики выступают не только потому, что в них используются некоторые основные и универсальные переменные и постоянные, действующие во всей Вселенной, но также и потому, что в науке действует принцип редукционизма, согласно которому все законы развития сложных уровней реальности должны быть сводимы к законам более простых уровней.

Скажем, законы воспроизводства жизни в генетике раскрываются на молекулярном уровне как законы взаимодействия молекул ДНК и РНК. Согласованием законов различных областей материального мира занимаются специальные пограничные науки, такие как молекулярная биология, биофизика, биохимия, геофизика, геохимия и т. д. Очень часто новые науки образуются как раз на стыках традиционных дисциплин.

Относительно сферы применимости принципа редукционизма в методологии науки ведутся ожесточенные споры, но само объяснение как таковое всегда предполагает сведение объясняемого на более глубокий понятийный уровень. В этом смысле наука подтверждает свою рациональность.

Физики утверждают, что ни одно тело во Вселенной не может не подчиняться закону всемирного тяготения, а если его поведение противоречит данному закону, значит, вмешиваются другие закономерности. Самолет не падает на землю, космический корабль преодолевает земное тяготение за счет применения реактивного двигателя, точного расчета при конструировании, использования специальных видов топлива. Полет самолета, космического корабля не отрицает закона всемирного тяготения, а использует факторы, которые нейтрализуют его действие.

Можно отрицать философию, религию, мистику, и это признается нормальным. Но с подозрением посмотрят на человека, который выразит сомнение в справедливости закона всемирного тяготения. В этом смысле можно сказать, что законы физики лежат в основании научного постижения действительности.

Физика и наглядность.

Два обстоятельства мешают понять современную физику: 1) применение сложнейшего математического аппарата, который надо предварительно изучить (А. Эйнштейн сделал попытку преодолеть эту трудность, написав учебник, в котором нет ни одной формулы); 2) невозможность создать наглядную модель современных физических представлений (искривленное пространство; частицу, одновременно являющуюся волной, и т. д.).

Прогресс физики (и науки в целом) связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности. Как-будто такой вывод должен противоречить тому, что современная наука, и физика прежде всего, основывается на эксперименте, т. е. эмпирическом опыте, который проходит при контролируемых человеком условиях и может быть воспроизведен в любое время любое число раз. Но дело в том, что некоторые стороны реальности незаметны для поверхностного наблюдения и наглядность может ввести в заблуждение. Механика Аристотеля покоилась на принципе: «Движущееся тело останавливается, если сила прекращает свое действие на него». Он казался соответствующим реальности просто потому, что не замечалось, что причиной остановки тела является трение. Для того, чтобы сделать правильный вывод, потребовался эксперимент, который был не реальным, невозможным в данном случае, а идеальным.

Такой эксперимент провел великий итальянский ученый Г. Галилей, автор «Диалога о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой» (1632). Для того, чтобы данный мысленный эксперимент стал возможным, потребовалось представление об идеально гладком теле и идеально гладкой поверхности, исключающей трение. Эксперимент Галилея, позволивший сделать вывод, что, если ничто не будет влиять на движение тела, оно сможет продолжаться бесконечно долго, стал основой классической механики И. Ньютона (вспомним три закона движения из школьной программы физики). В 1686 г. Ньютон предоставил Лондонскому королевскому обществу свои «Математические начала натуральной философии», в которых сформулировал понятия массы, инерции, ускорения, основные законы движения и закон всемирного тяготения. Так, благодаря мысленным экспериментам стала возможной новая механистическая картина мира.

Возможно, на знаменитые мысленные эксперименты Галилея подвигло создание гелиоцентрической системы мира выдающимся польским ученым Н. Коперником (1473–1543), ставшее еще одним примером отказа от непосредственной наглядности. Главный труд Коперника «Об обращении небесных миров» подвел итог его наблюдениям и размышлениям над этими вопросами в течение более 30 лет. Датский астроном Т. Браге (1546–1601) ради спасения наглядности выдвинул в 1588 г. гипотезу, согласно которой вокруг Солнца вращаются все планеты, за исключением Земли, последняя неподвижна и вокруг нее обращаются Солнце с планетами и Луна. И только И. Кеплер (1571–1630), установив (первые два в 1609, третий — в 1618 г.) три закона планетарных движений, названных его именем, окончательно подтвердил справедливость учения Коперника.

Итак, прогресс науки Нового времени определили идеализированные представления, порывающие с непосредственной реальностью. Однако физика XX в. заставляет отказаться не только от непосредственной наглядности, но и от наглядности как таковой. Это препятствует представлению физической реальности, но позволяет лучше осознать справедливость слов Эйнштейна: «Физические понятия суть свободные творения человеческого разума и не однозначно определены внешним миром В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, которая отвечала бы всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения»[51].

Отказ от наглядности научных представлений является неизбежной платой за переход к исследованию уровней реальности, не соответствующих эволюционно выработанным механизмам человеческого восприятия.

Специальная теория относительности.

Еще в классической механике был известен принцип относительности Г. Галилея: «Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой»[52]. Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущих сил»[53].

В начале XX в. выяснилось, что принцип относительности справедлив не только в механике, но также в оптике и электродинамике. Расширив свое значение, он теперь звучал так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Или: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.

После того как физики отказались от представления о существовании эфира как всеобщей среды, рухнуло представление об эталонной системе отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным. Теория относительности утверждает, что все системы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущества перед другими (относительно которой эфир был бы неподвижен).

Переход от одной инерциальной системы к другой осуществлялся в соответствии с преобразованиями Х. Лоренца. Однако экспериментальные данные о постоянстве скорости света, полученные путем сравнения лучей, идущих от подвижных и неподвижных звезд, привели к парадоксу, для разрешения которого понадобилось введение принципиально новых представлений.

Поясним сказанное на следующем примере. Предположим, что мы плывем на корабле, движущемся прямолинейно и равномерно относительно берега. Все законы движения остаются здесь такими же, как на берегу. Общая скорость движения будет определяться суммой движения на корабле и движения самого корабля. При скоростях, далеких от скорости света, это не приводит к отклонению от законов классической механики. Но если наш корабль достигнет скорости, близкой к скорости света, то сумма скорости движения корабля и на корабле может превысить скорость света, чего на самом деле не может быть, так как в соответствии с экспериментом Майкельсона-Морли «скорость света всегда одинакова во всех системах координат, независимо от того, движется ли излучающий источник или нет, и независимо от того, как он движется»[54].

Пытаясь преодолеть возникшие трудности, в 1904 г. Х. Лоренц предложил считать, что движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения (причем коэффициент сокращения зависит от скорости тела) и что в различных системах отсчета измеряются кажущиеся промежутки времени. Но в следующем году А. Эйнштейн истолковал кажущееся время в преобразованиях Лоренца как истинное.

Как и Галилей, Эйнштейн использовал мысленный эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна». «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со скоростью С в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость С + V»[55]. Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.

Рассматривая это противоречие, Эйнштейн предложил отказаться от представления об абсолютности и неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит обыденному опыту, поскольку этих изменений мы непосредственно не наблюдаем и не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но наука совсем не обязательно должна следовать здравому смыслу и неизменным формам чувственности. Главный критерий для нее — соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята. В свое время и представления о том, что Земля круглая и движется вокруг Солнца, тоже казались противоречащими здравому смыслу и наблюдению, но именно они оказались справедливыми.

Современные представления о пространстве и времени.

Пространство и время традиционно рассматривались в философии и науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений. Характеристиками пространства считались однородность — одинаковость свойств во всех точках и изотропность — независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс в принципе повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное (длина, ширина, высота), а время — как одномерное и идущее в одном направлении: от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.

В истории науки известны две концепции пространства: пространство как неизменное вместилище материи (И. Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (Г. Лейбниц). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

Из специальной теории относительности следует, что длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нем процессов не абсолютные, а относительные величины. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные (вдоль движения) размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него. «Стержень сократится до нуля, если его скорость достигнет скорости света… часы совершенно остановились бы, если бы они могли двигаться со скоростью света»[56].

Экспериментально подтверждено, что частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно нее частице как сферическая, а по отношению к налетающей на нее с очень большой скоростью частице — как сплющенный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного р-мезона составляет примерно 10^-8 с, а быстро движущегося (с околосветовой скоростью) — во много раз больше. Итак, пространство и время — общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.

Изменения в представлении о пространстве и времени, внесенные теорией относительности, отражены в таблице 1.

Таблица 1. Различия равновесной и неравновесной областей.

Примечание: знак «?» означает, что наука не имеет пока ответов на эти вопросы.

Общая теория относительности внесла дальнейшие изменения в представления о пространстве и времени, о чем речь пойдет в следующем разделе.

Общая теория относительности.

Найденное Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна. Понятие относительности стало одним из основных в современном естествознании.

В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не инерциальны. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила механистический закон всемирного тяготения И. Ньютона на полевой закон тяготения. «Схематически мы можем сказать: переход от ньютонова закона тяготения в общей относительности до некоторой степени аналогичен переходу от теории электрических жидкостей и закона Кулона к теории Максвелла»[57]. И здесь физика перешла от вещественной теории к полевой.

Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов»[58]. Представление о поле как еще одном, наряду с веществом, виде материи победило механицизм, имевший дело лишь с веществом.

Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент только что протекший»[59]. Это существенно новый момент естественнонаучной картины мира. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве и аналогичным образом действует гравитационное поле. «Сила тяготения распространяется со скоростью света, и только частицы, не имеющие массы, могут двигаться с этой максимальной скоростью»[60].

Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.

При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. В евклидовой геометрии, созданной древнегреческим математиком Евклидом (ок. 330–275 до н. э.), поверхности представляют собой плоскости, и основывается эта геометрия на пяти основных аксиомах. В неевклидовой геометрии, первую из которых создал русский ученый Н.И. Лобачевский (1792–1856), поверхности вогнутые или выпуклые. В них не действует пятая аксиома о непересечении параллельных линий и, соответственно, меняются все основные соотношения. Так, например, сумма углов треугольника становится меньше или больше 180°. Графически это изображено на рис. 4.

Рис. 4. Углы треугольника в евклидовой (а) и неевклидовой (б, в) геометрии, где S — сумма углов треугольника.

До создания теории относительности считалось само собой разумеющимся, что пространство Вселенной может быть представлено тремя плоскостями (измерениями): длина, ширина, высота и геометрия пространства подчиняются соотношениям Евклида. Теория относительности, связавшая свойства пространства со свойствами находящейся в нем материи, ввела понятие кривизны пространства. Коэффициент кривизны зависит от силы тяготения в данной точке пространства. Суть гравитации, по Эйнштейну, в искривлении пространства и времени. Структура пространства и времени деформируется, как резинка, на которую положен шар, и более легкое тело будет двигаться вокруг этого шара, как бы в ложбинке, следуя линии наименьшего сопротивления. Искривление времени означает, что скорость его хода изменяется от одной точки к другой. Таким образом, гравитационное взаимодействие передается кривизной пространства и времени. Экспериментальным подтверждением общей теории относительности послужило обнаружение отклонения света, идущего от дальних звезд в поле тяготения Солнца (1919).

В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. При скоростях, приближающихся к скорости света, при сильном поле пространство приходит в сингулярное состояние, т. е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микромиром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая механика остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.

Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временн?м четырехмерном континууме.

Теория относительности связала также массу и энергию соотношением Е = МС², где С — скорость света. В теории относительности «два закона — закон сохранения массы и сохранения энергии — потеряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы»[61]. Явление аннигиляции, при котором частица и античастица взаимно уничтожают друг друга, и другие явления физики микромира подтверждают данный вывод.

Итак, теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приходит, таковы: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс (следствие отмеченного еще Галилеем свойства всех тел падать в поле тяготения с одним и тем же ускорением независимо от их состава и массы).

До XX в. были открыты законы функционирования вещества (И. Ньютон) и поля (Д. Максвелл). В XX в. неоднократно предпринимались попытки создать единую теорию, в которой соединились бы вещественные и полевые представления. Сейчас на эту роль претендует теория струн, о которой речь пойдет дальше.

В заключение приведем слова из книги В. Гейзенберга «Часть и целое» о том, что же означает понимание как таковое. «„Понимать“ — это, по-видимому, означает овладеть представлениями, концепциями, с помощью которых мы можем рассматривать огромное множество различных явлений в их целостной связи, иными словами, „охватить“ их. Наша мысль успокаивается, когда мы узнаем, что какая-нибудь конкретная, кажущаяся запутанной, ситуация есть лишь частное следствие чего-то более общего, поддающегося тем самым более простой формулировке. Сведение пестрого многообразия явлений к общему и простому первопринципу, или, как сказали бы греки, „многого“ к „единому“, и есть как раз то самое, что мы называем „пониманием“. Способность численно предсказать событие часто является следствием понимания, обладания правильными понятиями, но она непосредственно не тождественна пониманию»[62].

Вопросы для повторения.

1. Что такое физикализм и редукционизм?

2. Что такое принцип относительности?

3. Как понимаются пространство и время в современной науке?

4. Что такое физическое поле?

5. Чем общая теория относительности отличается от специальной?

6. Как соотносятся в теории относительности масса и энергия?

Задания к семинару.

I. Ответьте на вопросы.

1. Какую ошибку допустил Аристотель, формулируя закон движения?

2. Как наука связана с проблемой наглядности?

3. Чем различаются философское, мифологическое, физическое и психологическое пространство и время?

4. Чем измеряется интерсубъективное время?

5. В каком смысле можно говорить об относительности физического времени?

6. Чем заменено в теории относительности пространство и время?

7. В виде какой фигуры вы представляете себе пространство — куб с плоскими гранями или как-то еще?

8. Зачем нужна единая теория поля?

9. Притягиваются ли люди друг к другу?

10. Как изменила научную картину мира современная физика?

11. В чем значение для современной картины мира понятия вероятности, времени, эволюции?

12. Как с точки зрения современной физики появляются вещи?

13. Каковы свойства времени (однородность, однонаправленность, одноразмерность)?

14. Существуют ли пространство и время без материи? Если убрать материю, останутся ли пространство и время?

15. Каковы свойства пространства (трехмерность, однородность, изотропность)?

16. Чем интерсубъективное пространство и время отличаются от субъективного?

17. Если образы играют в науке важную роль, то какое значение для познания имеет ненаглядность современной физики?

18. Если все развивается, то справедливы ли универсальные законы физики?

19. Как вы можете представить себе искривленное пространство: в виде кривых зеркал в комнате смеха или как-то еще?

II. Прокомментируйте высказывания.

«Всякое тело сохраняет состояние движения до тех пор, пока на него действует какая-либо сила» (Аристотель).

«Что такое теория относительности? — Раньше думали, что если всю материю убрать, то пространство и время останутся. Теория относительности считает, что без материи и их не будет» (А. Эйнштейн).

«Было показано, что категории пространства и времени в сновидениях становятся модифицированными таким образом, который в некоторой степени напоминает отказ от пространства и времени в мифах» (М. Элиаде).

«Тюрьма: ограничение в пространстве, компенсируемое увеличением во времени» (И. Бродский).

«Для Эйнштейна, как и для Аристотеля, время и пространство находятся во Вселенной, а не Вселенная „находится во“ времени и пространстве» (А. Койре).

«Какое место занимает картина мира физиков-теоретиков среди всех возможных таких картин? Благодаря использованию языка математики эта картина удовлетворяет высоким требованиям в отношении строгости и точности выражения взаимозависимостей. Но зато физик вынужден сильно ограничивать свой предмет, довольствуясь изображением наиболее простых, доступных нашему опыту явлений, тогда как все сложные явления не могут быть воссозданы человеческим умом с той точностью и последовательностью, которые необходимы физику-теоретику.

Высшая аккуратность, ясность и уверенность — за счет полноты. Но какую прелесть может иметь охват такого небольшого среза природы, если наиболее тонкое и сложное малодушно оставляется в стороне? Заслуживает ли результат столь скромного занятия гордого названия „картины мира“? Я думаю — да, ибо общие положения, лежащие в основе мысленных построений теоретической физики, претендуют быть действительными для всех происходящих в природе событий. Путем чисто логической дедукции из них можно было бы вывести картину, т. е. теорию всех явлений природы, включая жизнь, если этот процесс дедукции не выходил бы далеко за пределы творческой возможности человеческого мышления. Следовательно, отказ от полноты физической картины мира не является принципиальным» (А. Эйнштейн).

«Уместно спросить: каково значение ньютоновского синтеза в наши дни, после создания теории поля, теории относительности и квантовой механики? Это — сложная проблема, и мы к ней еще вернемся. Теперь нам хорошо известно, что природа отнюдь не „комфортабельна и самосогласованна“, как полагали прежде. На микроскопическом уровне законы классической механики уступили место законам квантовой механики. Аналогичным образом на уровне Вселенной на смену ньютоновской физике пришла релятивистская физика. Тем не менее классическая физика и поныне остается своего рода естественной точкой отсчета. Кроме того, в том смысле, в каком мы определили ее, т. е. как описание детерминированных, обратимых, статичных траекторий, ньютоновская динамика и поныне образует центральное ядро всей физики» (А. Эйнштейн).

«Мы так привыкли к законам классической динамики, которые преподносятся нам едва ли не с младших классов средней школы, что зачастую плохо сознаем всю смелость лежащих в их основе допущений. Мир, в котором все траектории обратимы, — поистине странный мир. Не менее поразительно и другое допущение, а именно допущение полной независимости начальных условий от законов движения» (А. Эйнштейн).

III. Прокомментируйте схемы.

1. Структура современной физики.

2. Современные представления о пространстве и времени.

Литература.

Грин Б. Элегантная Вселенная: Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. — М., 2008.

Оппенгеймер Р. Летающая трапеция. — М., 1967.

Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. — М., 1986.

Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. — М., 1965.