| Головна |
| « Попередня | Наступна » | |
VII. ТЕОРІЯ відносності |
||
|
Теорія відносності завжди грала в сучасній фізиці особливо важливу роль. У ній вперше була показана необхідність періодичної зміни основоположних принципів фізики. Тому обговорення тих проблем, які були підняті і частково вирішені теорією відносності, істотно необхідно для розгляду філософських аспектів сучасної фізики. У відомому сенсі можна сказати, що створення теорії відносності - на противагу квантової теорії - зажадало порівняно небагато часу з моменту остаточного усвідомлення труднощів, про які в даному випадку йшлося, до їх вирішення. Повторення досвіду Майкельсона Морлея і Міллером в 1904 році стало першим надійним доказом неможливості виявити поступальний рух Землі за допомогою оптичних методів, а вирішальна робота Ейнштейна з'явилася менш ніж два роки опісля. З іншого боку, досвід Морлея і Міллера і робота Ейнштейна з'явилися таки, мабуть, лише останніми фазами розвитку, яке почалося набагато раніше і яке, мабуть, можна пов'язати з проблемою «електродинаміки рухомих середовищ». Електродинаміка рухомих середовищ виявилася важливим розділом фізики і техніки з того часу, як почали будувати електромотори. Серйозна трудність виявилася в цій області тільки тоді, коли Максвелл розкрив електромагнітну природу світлових хвиль. Ці хвилі одним істотним властивістю відрізняються від інших, вже відомих раніше хвиль, наприклад від звукових хвиль. Вони можуть поширюватися в порожньому просторі. Якщо дзвінок змусити звучати в посудині, з якого відкачано повітря, то звук не досягає простору поза судини. Світло само вільно проходить крізь безповітряний простір. Тому припустили, що світлові хвилі можна розглядати як пружні хвилі в дуже легкій субстанції, званої ефіром, яку не можна ні бачити, ні відчувати, але яка заповнює як безповітряний простір, так і простір, зайняте іншою речовиною, наприклад повітрям або склом. Думка про те, що електромагнітні хвилі мають своєї власної реальністю, незалежною ні від яких тіл, в той час ще не приходила фізикам в голову. Так як це гіпотетичне речовина - ефір - могло проникати в усі інші тіла, то постало питання: що відбувається, якщо тіло приведено в рух? Чи приймає ефір участь у цьому русі, і якщо так, то як поширюється світлова хвиля в цьому рухомому ефірі? Експерименти, які дають відповідь на це питання, важкі з наступної причини: швидкості рухомих тіл зазвичай надзвичайно малі в порівнянні з швидкістю світла. Тому рух цих тіл може викликати тільки дуже незначні ефекти, приблизно пропорційні відношенню швидкості тіла до швидкості світла або більш високого ступеня цього відношення. Різноманітні експерименти Вільсона, Роуланда, Рентгена, Ейхенвальда і Фізо дозволили виміряти такі ефекти з точністю, відповідної першого ступеня цього відношення. Електронна теорія, розвинена Ло-Ренцо в 1895 році, дала задовільний опис цих ефектів «першого порядку». Але експеримент Майкельсона, Морлея і Міллера створив нову ситуацію. Цей експеримент слід обговорити докладно. Щоб отримати великі ефекти, а тим самим і більш точні результати, здавалося доцільним експериментувати з тілами, двужущіміся дуже швидко. Земля рухається навколо Сонця зі швидкістю близько 30 км / сек. Якщо ефір спочиває відносно Сонця і не захоплюється Землею, то це швидкий рух ефіру відносно Землі з необхідністю має виявлятися у зміні швидкості поширення світла на Землі. Тоді повинні виходити різні значення швидкості світла, дивлячись по тому, як поширюється світло - у напрямку руху Землі або перпендикулярно до цього напрямку. Навіть якщо ефір захоплюється Землею частково, повинен ще виходити деякий ефект, так як мав би місце, так би мовити, ефірний вітер, і цей ефект повинен тоді залежати, ймовірно, від висоти над рівнем моря, на якій проводиться експеримент. Обчислення ефекту, який слід очікувати, показує, що він в даному випадку повинен бути дуже малим, так як виявляється пропорційним квадрату відношення швидкості Землі до швидкості світла. Тому необхідно поставити точні експерименти з інтерференції двох світлових пучків, один з яких спрямований паралельно, а другий - перпендикулярно до напрямку руху Землі. Перший експеримент такого роду, виконаний Майкельсо-ном в 1881 році, був недостатньо точний. Але й наступні повторні експерименти не виявили ні найменших слідів очікуваного ефекту. Такого роду остаточним доказом того, що ефект очікуваного порядку величини не має місця, є особливо експерименти Морлея і Міллера 1904 року. 65 З В Гейзенберг Їх результат здавався спочатку незрозумілим, але він має відношення і до іншого питання, незадовго до цього вже обговорювалося фізиками. У ньютонівської механіці справедливий певний принцип відносності, який можна характеризувати наступними словами: якщо в певній системі відліку закони ньютонівської механіки виконуються для механічного руху тіла, в такому випадку це має місце і в будь-який інший системі відліку, що рухається щодо першої системи рівномірно і прямолінійно. Рівномірний і прямолінійний рух не викликає, таким чином, ніяких механічних ефектів в цій системі, і тому ці ефекти не можуть служити засобом виявлення такого руху. Подібного роду принцип відносності, як здавалося фізикам, не міг бути справедливий в оптиці і електродинаміці. Бо якщо перша система покоїться щодо ефіру, то рухома система, навпаки, не знаходиться в стані спокою, і звідси випливає, що рух цієї другої системи щодо ефіру можна спостерігати завдяки ефектам того роду, які були досліджені Майкель-соном. Негативний результат досвіду Морлея і Міллера 1904 дозволяв тому знову воскресити ідею про те, що принцип відносності такого роду все-таки, імовірно, міг бути також справедливий в електродинаміки, як і раніше в ньютонівської механіці. З іншого боку, мався старий досвід Фізо 1851, який, здавалося, безпосередньо суперечив цим принципом відносності. Фізо досліджував швидкість світла у рухомої рідини. Якби принцип відносності був справедливий, то сумарна швидкість світла у рухомої рідини повинна була б бути рівною сумі швидкості рідини і швидкості світла в спочиває рідини. Однак це було не так. Досвід Фізо показав, що сумарна швидкість була дещо менше, ніж зазначена сума. Незважаючи на це, негативний результат всіх новітніх спроб виявити рух щодо ефіру спонукав фізиків і математиків шукати таке математичне тлумачення цих дослідів, яке могло б узгодити один з одним хвильове рівняння для поширення світла і принцип відносності. Тому Лоренц запропонував в 1904 році математичне перетворення, яке задовольняло цього требованію9. Він повинен був для цього ввести гіпотезу, що рухаються тіла скорочуються в напрямку свого руху (причому коефіцієнт скорочення залежить від швидкості тіла), а також що в різних системах відліку вимірюються різні здаються проміжки часу, які в багатьох дослідах грають ту ж роль, яку до Досі грали реальні проміжки часу. На такому шляху він зміг прийти до результатів, відповідним принципом відносності; удавана швидкість світла була тепер у кожній системі відліку однієї і тієї ж. Подібні ідеї обговорювалися Пуанкаре, Фіцджеральдом та іншими фізиками. Вирішальний крок був зроблений в 1905 році Ейнштейном, витлумачивши позірна час в перетвореннях Лоренца як час реальне і виключити з розгляду час, який Лоренц називав «істинним». Це означало зміна підстав фізики - зовсім несподіване і радикальна зміна, для якого саме і була необхідна сміливість молодого і революційного генія. Щоб зробити цей крок у плані математичного опису природи, треба було лише застосувати до досвіду перетворення Лоренца несуперечливим чином. Однак завдяки новому тлумаченню цього перетворення змінювались уявлення фізиків про структуру простору і часу, і багато проблем фізики постали тому в новому світлі Ефірна субстанція, наприклад, виявлялася непотрібною і могла бути просто викреслена з підручників фізики. Так як в такому випадку всі системи відліку, що знаходяться відносно один одного в стані рівномірного і прямолінійного руху, при описі природи еквівалентні один одному, то більше не має ніякого сенсу вислів про те, ніби є така ефірна субстанція, яка в одній певній системі з цих систем відліку знаходиться нібито в стані спокою. Насправді брати до уваги таку субстанцію більше не має сенсу і багато простіше говорити, що світлові хвилі поширюються в порожньому просторі і що електромагнітні поля мають свою власну реальністю і можуть існувати в порожньому просторі. Вирішальне зміна, однак, зачіпає структуру простору і часу. Дуже важко описати це зміна словами звичайної мови без застосування математики, так як звичайні слова «простір» і «час» вже відносяться до структури простору і часу, що представляє собою ідеалізацію і спрощення дійсної структури. Незважаючи на це, необхідно спробувати описати нову структуру, і, мабуть, це можна зробити наступним чином. Коли ми вживаємо слово «минуле», то тим самим маємо на увазі всі ті події, про які ми, принаймні в принципі, можемо щось знати і отримати якісь відомості. Подібним же чином слово «майбутнє» охоплює всі ті події, на які ми, принаймні в принципі, ще можемо впливати, які ми можемо якось намагатися змінити або перешкодити їх здійсненню. Хоча відразу важко стверджувати, чому ці визначення слів «минуле» і «майбутнє» слід вважати особливо доцільними, але можна легко показати, що вони справді дуже точно відповідають звичайного вживання цих виразів. Якщо їх вживають подібним чином, то, як показують результати багатьох експериментів, область подій, що відносяться до майбутнього або минулого, не залежить від стану руху або інших властивостей спостерігача. На більш строгому математичному мовою можна сказати, що введене визначення инвариантно щодо переміщень спостерігача. Воно справедливо як у ньютонівської механіці, так і в теорії відносності Ейнштейна. 3: 67 Але тут виникає істотна відмінність: у класичній теорії ми приймаємо, що майбутнє і минуле відокремлені один від одного нескінченно малим інтервалом часу, який можна назвати справжнім миттю. У теорії ж відносності ми бачили, що справа йде трохи інакше. Майбутнє відокремлене від минулого кінцевим інтервалом часу, тривалість якого залежить від відстані до спостерігача. Яке завгодно вплив може поширюватися тільки зі швидкістю, яка менше або дорівнює швидкості поширення світла. Тому спостерігач в дану мить не може ні знати, ні вплинути на подія, що відбулася в деякій віддаленій точці в проміжку між двома характеристичними моментами часу. Перший момент - мить, в яку повинен бути посланий з места4 події світловий сигнал, який досягне спостерігача в момент спостереження. Інший момент - мить, в яке світловий сигнал, посланий спостерігачем в момент спостереження, досягає місця події. Весь кінцевий інтервал часу між обома цими митями може бути названий для спостерігача в даний момент спостереження «справжнім». Бо будь-яке подія, що відбулася в цей інтервал часу, не може в момент виконання спостереження пі стати відомим спостерігачеві, ні випробувати яке-небудь вплив останнього, і саме так було визначено поняття «справжнє». Усяке подія, що має місце між обома характеристичними моментами часу, може бути названо «одночасним з актом спостереження». Використання виразу «може бути названо» вже вказує на двозначність слова «одночасно», що пояснюється тим, що слово «одночасно» виникло з досвіду повсякденного життя, в межах якого швидкість світла можна вважати практично нескінченно великою. Насправді ж слово «одночасно» може бути визначено у фізиці дещо інакше, і Ейнштейн використовував у своїх роботах це друге визначення «одночасності». Якщо дві події в одній і тій же точці простору відбуваються одночасно, ми говоримо, що вони збігаються. Це вираз абсолютно однозначно. Перше визначення слова «одночасно» здається дещо більш відповідним звичайного вживання цього слова в повсякденному житті, так як питання про те, одночасні чи два процеси, в повсякденному житті безумовно не залежить від системи відліку. В обох ж релятивістських визначеннях поняття одночасності придбало ту точність, що була відсутня у нього в мові повсякденного життя. У квантовій теорії фізики повинні були вже заздалегідь усвідомити, що поняття класичної механіки описують природу недостатньо точно, що квантові закони обмежують їх застосовність і що тому при їх використанні необхідна велика обережність. У теорії відносності фізики, навпаки, намагалися змінити зміст слів класичної фізики, уточнивши ці поняття таким чином, щоб вони точно відповідали нової, тільки що пізнаної ситуації в природі. Структура простору і часу, виявлена теорією відносності, знаходить багато проявів у всіляких розділах фізики. Електродинаміка рухомих тіл може бути без праці виведена з принципу відносності. Сам цей принцип може бути сформульований як дуже загальний закон природи, що відноситься не тільки до електродинаміки або механіці, але і до будь-якій групі законів природи: закони повинні приймати одну і ту ж форму у всіх системах відліку, що відрізняються один від одного лише станом рівномірного і прямолінійного руху. Вони інваріантні, як можна сказати мовою математики, щодо перетворень Лоренца. Мабуть, найбільш важливим наслідком принципу відносності є встановлення властивості інерції енергії, або еквівалентності маси і енергії. Так як швидкість світла грає роль граничної швидкості, яка ніколи не може бути досягнута жодним матеріальним тілом, то можна легко зрозуміти, що рухається тіло повинно набувати прискорення з великими труднощами, ніж ще покоїться тіло. Інерція, стало бути, збільшується із зростанням кінетичної енергії. Кажучи узагальнено, кожен вид енергії несе в собі певну інерцію, тобто масу, і маса, відповідна даної енергії, дорівнює цієї енергії, поділеній на квадрат швидкості світла. Всяка енергія несе, стало бути, з собою масу, але навіть дуже великі - за звичайними поняттями - кількості енергії дають таки лише дуже невелике збільшення маси, і це є причиною того, що зв'язок маси та енергії що раніше не була виявлена. Два закони - закон збереження маси і збереження енергії - втратили свою незалежну один від одного справедливість і виявилися об'єднаними в єдиний закон, який можна назвати законом збереження енергії або маси. 50 років тому, коли була створена теорія відносності, ця гіпотеза про еквівалентність маси і енергії революціонізувала фізику, але експериментальних доказів цього закону було тог- да дуже мало. У наші дні можна в багатьох експериментах безпосередньо бачити, як елементарні частинки народжуються з кінетичної енергії і як такі частинки можуть знову зникнути, перетворившись у випромінювання. Тому нині перетворення енергії в масу і навпаки не являє собою нічого незвичайного. Величезні кількості енергії, які звільняються при атомних вибухах, представляють собою інше і набагато більш очевидний доказ справедливості співвідношення Ейнштейна. Але, ймовірно, тут слід зробити критичне зауваження історичного порядку. Іноді стверджують, що величезні кількості енергії виникають при атомних вибухах безпосередньо внаслідок перетворення маси в енергію і що ці гігантські кількості енергії могли бути передбачити тільки на основі теорії відносності. Ця думка грунтується, однак, на непорозумінні. Великі кількості енергії, запасені в надрах атомних ядер, були відомі з часу експериментів Беккереля, Кюрі і Резерфорда по радіоактивному розпаду. Будь-яке радіоактивна речовина, наприклад радій, виділяє кількість тепла, яке може бути вивільнено з такої ж кількості речовини в хімічній реакції. Енергія розпаду ядра урану має те ж походження, що і енергія а-розпаду ядра радію, а саме в основному електростатичне відштовхування двох уламків, на які атомне ядро розпалося. Енергія, що вивільняється при атомному вибуху, виділяється, стало бути, безпосередньо з цього джерела, а не виникає завдяки перетворенню маси в енергію. Бо число елементарних частинок з кінцевою масою спокою під час атомного вибуху абсолютно не зменшується. Правда, енергія зв'язку «будівельних цеглин» атомного ядра проявляє себе також в масах спокою ядер, і тому вивільнення енергії побічно пов'язане і зі зміною мас атомних ядер. Еквівалентність маси і енергії, окрім свого величезного значення для практичної фізики, підняла також питання, пов'язані з дуже старої філософської проблематикою. Різні філософські системи минулого виходили з тези, що субстанція, або матерія, незнищенна. Експерименти, які проводяться в сучасній фізиці, показали, що елементарні частинки, наприклад, позитрони і електрони, можуть бути знищені і перетворені у випромінювання. Чи означає це, що більш старі філософські системи тим самим спростовані новітнім досвідом і що аргументи, що висуваються в цих більш ранніх системах, повинні вважатися помилковими? Це було б, безсумнівно, кілька передчасне і невиправдане висновок, бо поняття «субстанція» і «матерія» в античній або середньовічній філософії не можна просто ототожнювати з поняттям «маса» в сучасній фізиці. Якщо наші сучасні знання виразити мовою старіших філософських систем, то можна було б, наприклад, масу і енергію розглядати в якості двох різних форм однієї і тієї ж субстанції і, таким чином, зберегти уявлення про незнищенності субстанції. З іншого боку, навряд чи можна сказати, що так вже й багато досягають, висловлюючи новітні знання на старому мовою. Філософські системи минулого сформувалися з усієї сукупності знань того часу і тому відповідають тому образу мислення, який приводив до цих знань. Мається повну підставу вважати, що філософи, що міркували про природу багато століть тому, не могли передбачити розвиток квантової теорії або теорії відносності. Тому поняття, до яких філософи давно минулого часу дійшли на основі аналізу своїх знань про природу, не можуть нині відповідати явищам, що можуть бути спостережуваними тільки за допомогою складних технічних засобів нашого часу. Але перш ніж будуть обговорені філософські висновки з теорії відносності, слід ще коротко окреслити її подальший розвиток. Гіпотетична субстанція «ефір», що грала настільки важливу роль у більш ранніх тлумаченнях теорії Максвелла в XIX столітті, як це вже згадувалося вище, була усунена теорією відносності. Ця обставина часто висловлюють також у вигляді твердження, що теорією відносності було усунуто абсолютний простір. Але таке твердження потребує деяких застереженнях. Правда, згідно спеціальної теорії відносності, більше не можна вибрати певну систему відліку, щодо якої ефір спочивав б і яка з цієї причини заслуговувала б назва «абсолютної». Але було б все ж неправильно стверджувати, що тепер простір нібито втратило всі фізичні якості. Рівняння руху матеріальних тіл або полів все ще приймають різний вигляд у «звичайній» системі відліку і в іншій системі, рівномірно обертається щодо «звичайної» системи відліку. Якщо обмежуються теорією відносності 1905, 1906 років, то існування відцентрових сил під обертається системі відліку доводить, що існують фізичні властивості простору, що дозволяють відрізнити обертові системи від невращающихся. У філософському плані це не здається задовільним, і було б переважніше приписувати фізичні властивості тільки фізичним об'єктам, як, наприклад, матеріальним тілам або полях, а не порожньому простору. Однак якщо обмежитися розглядом електромагнітних процесів і механічних рухів, то наявність цих властивостей у порожнього простору слід просто з фактів, які не можуть бути оскаржені, наприклад з факту існування відцентрової сили. Ретельний аналіз цієї ситуації призвів Ейнштейна приблизно десятиліття опісля до вельми важливого узагальнення теорії відносності, звичайно званому «загальною теорією відносності». Але, перш ніж перейти до викладу основних ідей нової теорії, необхідно сказати кілька слів про ступінь достовірності, яка гарантує справедливість цих двох розділів теорії відносності. Теорія, створена в 1905-1906 роках, тобто так звана «спеціальна» теорія відносності, заснована на безлічі дуже точно перевірених експериментальних фактів - на дослідах Майкельсона і Морлея і багатьох інших подібних експериментах, на еквівалентності маси і енергії в дуже великому числі радіоактивних процесів, на дуже точно спостережуваної залежності часу життя радіоактивних об'єктів від швидкості радіоактивних частинок і т. д. Ця теорія є , таким чином, твердим, надійною підставою сучасної фізики і при нашому сьогоднішньому знанні не може бути оскаржена. Відносно загальної теорії відносності експериментальні докази, навпаки, набагато менш переконливі, так як в загальному експериментальний матеріал дуже обмежений. Мається тільки кілька астрономічних спостережень, за допомогою яких можна перевірити справедливість припущень теорії відносності. Тому друга теорія більш гіпотетична, ніж перша. Вирішальна фундаментальна гіпотеза загальної теорії відносності - припущення про тотожність тяжіє та інертною мас. Вельми ретельні виміри показали, що маса тіла, обумовлена його вагою, в точності пропорційна другий масі, яка визначається інерцією тіла. Навіть самі точні вимірювання ніколи не давали ніяких відхилень від цього закону. Якщо цей закон має універсальне значення, то сили тяжіння можуть бути поставлені в паралель з відцентровими або іншими силами, що виникають як реакція на інерційні впливу. Так як відцентрові сили повинні бути поставлені у зв'язок з фізичними властивостями порожнього простору, як це показано вище, то Ейнштейн прийшов до гіпотези про те, що сили тяжіння також відповідають властивостям порожнього простору. Це був дуже важливий крок, який негайно ж зробив необхідним новий крок у тому ж напрямку. Ми знаємо, що сили тяжіння викликаються масами. Тому якщо тяжіння пов'язано з властивостями простору, то ці властивості простору повинні бути породжені масою або відчувати впливу мас. Відцентрові сили під обертається системі відліку, можливо, повинні викликатися обертанням щодо цієї системи досить віддалених мас всесвіту. Щоб провести в життя програму, намічену в цих твердженнях, Ейнштейн мав зв'язати ці основоположні фізичні міркування з математичною схемою загальної геометрії, розвиненою Ріманом. Якщо масивна зірка випускає монохроматичне випромінювання, то світлові кванти, віддаляючись від зірки в поле її тяжіння, втрачають частину своєї енергії. Звідси випливає, що випускаються спектральні лінії повинні відчувати зсув до червоного кінця спектра. До цих пір немає ще, як дуже ясно показало обговорення Фрейндліх-хом проведених донині дослідів, жодного не викликає заперечень експериментального докази наявності цього червоного зсуву. Але було б також передчасно укласти, що досліди нібито спростували пророкування теорії Ейнштейна. Промінь світла, що проходить поблизу Сонця, повинен відхилятися полем тяжіння Сонця. Це відхилення має, як експериментально показано Фрейндліхом та іншими астрономами, що передбачається порядок величини. Але чи збігається відхилення точно з передбачає теорія Ейнштейна величиною - це питання залишилося ще не вирішеним. Кращим експериментальним доказом справедливості загальної теорії відносності є, здається, рух перигелію орбіти планети Меркурій, величина якого, мабуть, знаходиться в дуже хорошому злагоді з передбаченнями теорії. Хоча, таким чином, експериментальний базис загальної теорії відносності ще досить вузький, вона, однак, містить ідеї величенної ступенем важливості. Протягом усього часу розвитку математики від античності до XIX сторіччя евклідова геометрія розглядалася як самоочевидна. Аксіоми Евкліда мали відношення до підстав будь-якої математичної теорії геометричного характеру і являли собою базис, який не міг бути поставлений під сумнів. Потім в XIX столітті математики Больяй і Лобачевський, Гаус і Ріман знайшли, що можна побудувати інші геометрії, які можуть бути розвинені з тією ж математичною строгістю, що і евклидова. Тому питання про те, яка геометрія є справедливою, з цього часу стає емпіричним. І тільки в працях Ейнштейна це питання зміг бути поставлений як фізичний. Геометрія, про яку йде мова в загальній теорії відносності, включає в себе не тільки геометрію тривимірного простору, а й чотиривимірне різноманіття простору і часу. Теорія відносності встановлює зв'язок між геометрією цього різноманіття і розподілом мас у всесвіті. Значить, ця теорія піднімає в новій формі старі питання простору і часу в разі дуже великих відстаней, і вона передбачає відповіді, які можуть бути перевірені спостереженнями. Отже, можна знову поставити дуже старі філософські питання, що займали людський розум з часу самих ранніх епох філософії та науки: звичайно або нескінченно простір? Що було до початку часу? Що буде в кінці часу? Або у вре- мени немає ні початку, ні кінця? Ці питання знайшли різні відповіді в різних релігіях і філософських системах. У філософії Аристотеля, наприклад, весь простір всесвіту уявлялося як кінцеве, хоча воно і було нескінченно ділимо. Простір виникає завдяки протяжності тіл, воно у відомому сенсі розтягується тілами. Тому там, де немає ніяких тіл, немає і простору. Всесвіт складається з Землі, Сонця і зірок - кінцевого числа тел. По ту сторону сфери нерухомих зірок немає ніякого простору. Тому простір всесвіту і було кінцевим. У філософії Канта це питання належав до того, що він назвав «антиноміями», - до числа питань, на які не можна відповісти, так як два різних докази ведуть до взаємно протилежних висновків. Простір не може бути кінцевим, тому що ми не можемо собі уявити «кінець» простору. І який би точки простору ми ні досягли, ми завжди уявляємо собі, що можемо рухатися ще далі. Але простір не може бути і нескінченним, тому що простір - це щось, що ми можемо собі уявити, інакше поняття простору не виникло б зовсім, а ми не можемо уявити собі нескінченний простір. У відношенні цього другого твердження доказ Канта не можна передати дослівно. Затвердження «простір нескінченно» означає для нас щось негативне: ми не можемо дійти до «кінця» простору. Для Канта, однак, нескінченність простору означає щось дійсно дане, щось, що «існує» в сенсі, який ми навряд чи можемо висловити. Кант приходить до висновку, що на питання про те, звичайно або нескінченно простір, не можна дати ніякої раціональної відповіді, тому що всесвіт в цілому не може бути предметом нашого досвіду. Подібне ж положення виникає і щодо проблеми нескінченності часу. У сповіді Августина, наприклад, питання поставлене в такій формі: «Що робив бог до того, як він створив світ?» Августин не був задоволений відомим відповіддю: «Бог був зайнятий тим, що створював пекло для людей, які задають дурні питання». Це був би занадто дешевий відповідь, вважає Августин; і він намагається раціонально проаналізувати проблему: тільки для нас час тече, тільки ми очікуємо його як майбутнє, воно протікає для нас як справжнє мить, і ми згадуємо про нього, як про минуле. Але бог не знаходиться в часі. Тисяча років для нього - що один день, і один день - що тисяча років. Час було створено разом зі світом, воно, стало бути, належить світу, і тому в той час, коли не існувало всесвіту, не було і ніякого часу. Для бога весь хід подій у всесвіті був даний відразу. Значить, не було ніякого часу до того, як світ був створений богом. Правда, легко зрозуміти, що в подібних формулюваннях поняття «створений» негайно ж призводить до суттєвих труднощів. Це слово, в тому вигляді як воно зазвичай вживається, означає щось, що виникає і чого раніше не існувало, і в цьому сенсі воно вже передбачає поняття часу. Тому в раціональних виразах неможливо можна дати визначення того, що можна розуміти під оборотом промови «час було створено». Ця обставина знову нагадує нам часто обговорюваний урок, який необхідно витягти з новітнього розвитку фізики, а саме: що всяке слово або всяке поняття, яким би ясним воно нам не здавалося, має все-таки тільки обмежену сферу застосування. Ці питання про нескінченність простору і часу можуть бути в загальній теорії відносності поставлені і частково - на підставі емпіричного матеріалу - вирішені. Якщо теорія правильно описує зв'язок чотиривимірної геометрії простору і часу з розподілом мас у всесвіті, то астрономічні спостереження про розподіл спіральних туманностей в просторі можуть дати нам інформацію про геометрію всесвіту. Тоді можна буде побудувати принаймні моделі всесвіту, космологічні картини, наслідки яких можуть бути порівняні з емпіричними фактами. Наші сучасні астрономічні пізнання не дозволяють остаточно вирішити, яку з декількох можливих моделей слід вибрати. Може виявитися, що простір всесвіту звичайно. Але це не означало б, що в якомусь місці є «кінець» всесвіту. Це вело б тільки до того, що якби ми все далі і далі просувалися у всесвіті в одному певному напрямку, то врешті-решт мали б повернутися до точки, з якої почали рух. Положення, стало бути, нагадувало б двовимірну геометрію на поверхні Землі, де ми також, якщо будемо рухатися з певної точки все далі і далі, скажімо, в східному напрямку, зрештою повернемося до цієї точки з заходу. Що стосується часу, то тут, здається, щось на кшталт «початку» мало місце. Багато спостереження вказують на те, що всесвіт близько 4 мільярдів років тому мала «початок» або, у всякому разі, що в той час матерія всесвіту була сконцентрована в значно меншому обсязі простору, ніж зараз, і що з того часу виселення все ще продовжує розширюватися з цього невеликого обсягу з різними швидкостями. Це одне й те же час в 4 мільярди років все знову і знову з'являється в багатьох різних спостереженнях, наприклад віку метеоритів, мінералів на Землі і т. д., і тому було б, ймовірно, важко знайти цьому пояснення, цілком відмінне від ідеї виникнення світу 4 мільярди років тому. Якщо ідея «виникнення» у цій формі виявиться правильною, то це означатиме, що по ту сторону зазначеного моменту часу - тобто раніше ніж 4 мільярди років тому - поняття часу має зазнати суттєвих змін. Це більш обережне висновок стає на місце простий формулювання про створення світу. При сучасному стані астрономічних спостережень ці питання геометрії простору-часу ще не можуть бути вирішені з якою-небудь ступенем надійності. Але вже досить цікаво знати, що ці питання, можливо, пізніше зможуть бути вирішені в один прекрасний момент на міцній основі астрономічних знань. Навіть якщо подальший розгляд обмежити більш надійно обгрунтованої спеціальною теорією відносності, то можна не сумніватися, що ця теорія у величезній мірі змінила наші уявлення про структуру простору і часу. Турбує в цих змінах, мабуть, не стільки їх особлива природа, скільки той факт, що вони взагалі виявилися можливі. Структура простору і часу, яку Ньютон математично встановив в якості основи свого опису дріроди, не містила ніяких внутрішніх протиріч, була проста і дуже точно відповідала вживання понять простору і часу, до якого ми звикли в повсякденному житті. Відповідність фактично було настільки близьким, що ньютонівські визначення можна було розглядати просто як точну математичну формулювання цих понять простору і часу повсякденному житті. До теорії відносності вважалося само собою зрозумілим, що процеси можуть бути впорядковані в часі незалежно від їх розташування в просторі. Ми знаємо, що в повсякденному житті це враження виникає тому, що швидкість світла значно більше яких завгодно інших швидкостей, з якими мають справу в повсякденному житті. У той час це обмеження, природно, ніхто не уявляв собі чітко. Але навіть за умови, що зараз ми знаємо про ЕТШ обмеження, навряд чи можна собі уявити, що дорядок подій у часі повинен залежати від їх просторового розташування, тобто від місця, в якому вони відбуваються. Філософія | <анта пізніше привернула увагу до того факту, що поняття простору і часу включаються в наші відносини з природою, а не тільки належать природі самої. Ми не можемо описувати природу, не користуючись цими поняттями. Тому у відомому сенсі ці поняття апріорні, вони представляють собою насамперед умова досвіду, а не результат досвіду, і тому взагалі передбачається, що вони не можуть бути змінені новим досвідом. Зважаючи на це необхідність зміни виявилася великою несподіванкою. Вчені вперше відчули, яка необхідна обережність при спробах застосувати поняття повсякденного життя до вдосконаленого на базі новітньої експериментальної техніки досвіду. Навіть точна і несуперечлива формулювання цих понять на-математичній мові ньютонівської механіки або їх ретельний аналіз у філософії Канта не дали ніякої гарантії від необхідності їх критичного аналізу, який став можливий пізніше завдяки виключно точним вимірам. Це попередження пізніше виявилося для розвитку новітньої фізики надзвичайно корисним, і зрозуміти квантову теорію було б напевно значно важче, якби успіх теорії відносності застеріг фізиків від некритичного застосування понять, які запозичені з повсякденного життя або класичної фізики.
|
||
| « Попередня | Наступна » | |
|
|
||
Інформація, релевантна "VII. ТЕОРІЯ відносності" |
||
|
||