Общие положения теории относительности

Чтобы увидеть значение теории относительности Эйнштейна для эволюции физической мысли, следует прежде всего остановиться на самых общих понятиях относительности положения и движения тел и однородности пространства и времени. В теории Эйншиейна фигуриру­ет однородность и изотропность пространства-времени.

Представим себе материальную частицу, затерянную в бесконеч­ном, абсолютно пустом пространстве. Что в этом случае означают слова "пространственное положение" частицы? Соответствует ли этим словам какое-либо реальное свойство частицы?

Если бы в пространстве существовали другие тела, мы могли бы определить по отношению к ним положение данной частицы, но если пространство пусто, положение данной частицы оказывается бессо­держательным понятием. Пространственное положение имеет физичес­кий смысл только в том случае, когда в пространстве имеются иные тела, служащие телами отсчета. Если брать в качестве тел отсчета разные тела, мы придем к различным определениям пространственного положения данной частицы. С любым телом мы можем связать некото­рую систему отсчета, например систему прямоугольных координат. Такие системы равноправны: в какой бы системе отсчета мы ни опре­деляли положение точек, из которых состоит данное тело, размеры и форма тела будут одними и теми же, и, измеряя расстояния между точками, мы не найдем критерия, чтобы отличить одну систему отс­чета от другой. Мы можем поместить начало координат в любой точке пространства, мы можем затем перенести это начало в любую другую точку, либо повернуть оси, либо сделать и то и другое - форма и размеры тела при таком переносе и повороте не изменятся, так как не изменится расстояние между любыми двумя фиксированными точками этого тела. Неизменность этого расстояния при переходе от одной системы отсчета к другой называют инвариантностью по отношению к указанному переходу. Мы говорим, что расстояния между точками те­ла являются инвариантами при переходе от одной прямоугольной сис­темы координат другой, с иным началом и иным направлением осей. Расстояния между точками тела служат инвариантами таких коорди­натных преобразований. В инвариантности расстояний между точками относительно переноса начала координат выражается однородность пространства, равноправность всех его точек относительно начала координат.

Если точки пространства равноправны, то мы не можем опреде­лить пространственное положение тела абсолютным образом, мы не можем найти привилегированную систему отсчета. Когда мы говорим о положении тела, т.е. о координатах его точек, то необходимо ука­зывать систему отсчета. "Пространственное положение" в этом смыс­ле является относительным понятием - совокупностью величин, кото­рые меняются при переходе от одной системы координат к другой системе, в отличие от расстояний между точками, которые не меня­ются при указанном переходе.

Однородность пространства выражается, далее, в том, что сво­бодное тело, переходя из одного места в другое, сохраняет одну и ту же скорость и соответственно сохраняет приобретенный им им­пульс. Каждое изменение скорости и, соответственно, импульса, мы объясняем не тем, что тело передвинулось в пространстве, а взаи­модействием тел. Изменение импульса данного тела мы относим за счет некоторого силового поля, в котором оказалось рассматривае­мое тело.

Нам известна также однородность времени. Она выражается в сохранении энергии. Если с течением времени не меняется воздейс­твие, испытываемое данным телом со стороны других тел, иными сло­вами, если иные тела действуют неизменным образом на данное тело, то энергия его сохраняется. Мы относим изменение энергии тела за счет изменения во времени действующих на него сил, а не за счет самого времени. Время само по себе не меняет энергии системы, и в этом смысле все мгновения равноправны. Мы не можем найти во вре­мени привилегированного мгновения, также как не можем найти в пространстве точку, отличающуюся от других точек по поведению по­павшей в эту точку частицы. Поскольку все мгновения равноправны, мы можем отсчитывать время от любого мгновения, объявив его на­чальным. Рассматривая течение событий, мы убеждаемся, что они протекают неизменным образом, независимо от выбора начального мо­мента, начала отсчета времени.

Мы могли бы сказать, что время относительно в том смысле, что при переходе от одного начала отсчета времени к другому опи­сание событий остается справедливым и не требует пересмотра. Од­нако обычно под относительностью времени понимают нечто иное. В простом и очевидном смысле независимости течения событий от выбо­ра начального момента относительность времени не могла бы стать основой новой теории, совсем не очевидной, опрокидывающей обычное представление о времени.

Под относительностью времени мы будем понимать зависимость течения времени от выбора пространственной системы отсчета. Соот­ветственно абсолютным временем называется время, не зависящее от выбора пространственной системы координат, протекающее единооб­разно на всех движущихся одна относительно другой системах отсче­та, - последовательность моментов, наступающих одновременно во всех точках пространства. В классической физике существовало представление о потоке времени, который не зависит от реальных движений тела, - о времени, которое течет во всей Вселенной с од­ной и той же быстротой. Какой реальный процесс лежит в основе по­добного представления об абсолютном времени, о мгновении, однов­ременно наступающем в отдаленных