точке в промежутке между двумя характеристическими моментами времени. Первый
момент -- мгновение,
в которое должен быть послан из места события световой сигнал, который
достигнет наблюдателя в момент наблюдения. Другой момент -- мгновение, в
которое световой сигнал, посланный наблюдателем в момент наблюдения,
достигает места события. Весь конечный интервал времени между обоими этими
мгновениями может быть назван для наблюдателя в данный момент наблюдения
"настоящим". Ибо любое событие, происшедшее в этот интервал времени, не
может в момент выполнения наблюдения ни стать известным наблюдателю, ни
испытать какое-либо воздействие последнего, и именно так было определено
понятие "настоящее". Всякое событие, имеющее место между обоими
характеристическими моментами времени, может быть названо "одновременным с
актом наблюдения".
Использование выражения "может быть названо" уже указывает на
двусмысленность слова "одновременно", объясняющуюся тем, что слово
"одновременно" возникло из опыта повседневной жизни, в пределах которого
скорость света можно считать практически бесконечно большой. На самом же
деле слово "одновременно" может быть определено в физике несколько иначе, и
Эйнштейн использовал в своих работах это второе определение
"одновременности". Если два события в одной и той же точке пространства
происходят одновременно, мы говорим, что они совпадают. Это выражение
совершенно однозначно. Теперь представим себе три точки в пространстве,
лежащие на одной прямой линии таким образом, что средняя точка находится на
одном и том же расстоянии от обеих крайних. Если два события в обеих внешних
точках происходят в такие моменты времени, что световые сигналы, посланные в
момент свершения событий, приходя в среднюю точку, совпадают, то оба события
можно определить как "одновременные". Это определение является в данном
случае более узким, чем первое. Одно из его важнейших следствий состоит в
том, что, когда два события одновременны для одного наблюдателя, они,
возможно, не одновременны для другого наблюдателя; это будет иметь место,
если второй наблюдатель движется относительно первого. Соотношение между
обоими определениями слова "одновременно" можно выразить высказыванием: во
всех случаях, когда два события одновременны в первом смысле, можно найти
также систему отсчета, в которой они одновременны и во втором смысле.
Несколько более наглядно положение вещей в целом можно, пожалуй, изобразить
следующим образом: предположим, что спутник, вращающийся вокруг Земли,
испускает сигнал, который через некоторый малый промежуток времени
принимается станцией наблюдения на Земле. Эта станция наблюдения в ответ на
данный сигнал посылает спутнику команду, которую он принимает через
некоторый малый промежуток времени. Весь интервал времени между посылкой
сигнала и приемом команды можно считать на спутнике, согласно первому
определению, одновременным с моментом приема сигнала на Земле. Если на
спутнике выбирается какое-либо определенное мгновение из этого интервала,
то, хотя это мгновение, вообще говоря, в смысле второго определения, не
"одновременно" с моментом приема сигнала на Земле, всегда существует
система отсчета, в которой эта одновременность имеет место.
Первое определение слова "одновременно" кажется несколько более
соответствующим обычному употреблению этого слова в повседневной жизни, так
как вопрос о том, одновременны ли два процесса, в повседневной жизни
определенно не зависит от системы отсчета. В обоих же релятивистских
определениях понятие одновременности приобрело ту точность, которая
совершенно отсутствовала у него в языке повседневной жизни. В квантовой
теории физики должны были уже заранее осознать, что понятия классической
механики описывают природу недостаточно точно, что квантовые законы
ограничивают их применимость и что поэтому при их использовании необходима
большая осторожность. В теории относительности физики, напротив, пытались
изменить смысл слов классической физики, уточнив эти понятия таким образом,
чтобы они точно соответствовали новой, только что познанной ситуации в
природе.
Структура пространства и времени, выявленная теорией относительности,
находит много проявлений в самых различных разделах физики. Электродинамика
движущихся тел может быть без труда выведена из принципа относительности.
Сам этот принцип может быть сформулирован как весьма общий закон природы,
относящийся не только к электродинамике или механике, но и к любой группе
законов природы: законы должны принимать одну и ту же форму во всех системах
отсчета, отличающихся друг от друга лишь состоянием равномерного и
прямолинейного движения. Они инвариантны, как можно сказать на языке
математики, относительно преобразований Лоренца.
По-видимому, наиболее важным следствием принципа относительности
является установление свойства инерции энергии, или эквивалентности массы и
энергии. Так как скорость света играет роль предельной скорости, которая
никогда не может быть достигнута никаким материальным телом, то можно легко
понять, что движущееся тело должно приобретать ускорение с большим трудом,
чем еще покоящееся тело. Инерция, стало быть, увеличивается с возрастанием
кинетической энергии. Говоря обобщенно, каждый вид энергии несет в себе
определенную инерцию, то есть массу, и масса, соответствующая данной
энергии, равна этой энергии, деленной на квадрат скорости света. Всякая
энергия несет, стало быть, с собой массу, но даже очень большие -- по
обычным понятиям -- количества энергии дают все-таки лишь очень небольшое
увеличение массы, и это является причиной того, что связь массы и энергии
ранее не была обнаружена. 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.
50 лет назад, когда была создана теория относительности, эта гипотеза
об эквивалентности массы и энергии революционизировала физику, но
экспериментальных доказательств этого закона было тог-
да очень мало. В наши дни можно во многих экспериментах непосредственно
видеть, как элементарные частицы рождаются из кинетической энергии и как
такие частицы могут снова исчезнуть, превратившись в излучение. Поэтому ныне
превращение энергии в массу и наоборот не представляет собой ничего
необыкновенного.
Огромные количества энергии, которые освобождаются при атомных взрывах,
представляют собой другое и гораздо более очевидное доказательство
справедливости соотношения Эйнштейна. Но, вероятно, здесь следует сделать
критическое замечание исторического порядка. Иногда утверждают, что огромные
количества энергии возникают при атомных взрывах непосредственно вследствие
превращения массы в энергию и что эти гигантские количества энергии могли
быть предсказаны только на основе теории относительности. Это мнение
основано, однако, на недоразумении. Большие количества энергии, запасенные в
недрах атомных ядер, были известны со времени экспериментов Беккереля, Кюри
и Резерфорда по радиоактивному распаду. Любое радиоактивное вещество,
например радий, выделяет количество тепла, которое может быть высвобождено
из такого же количества вещества в химической реакции. Энергия распада ядра
урана имеет то же происхождение, что и энергия альфа-распада ядра радия, а
именно в основном электростатическое отталкивание двух обломков, на которые
атомное ядро распалось. Энергия, высвобождающаяся при атомном взрыве,
выделяется, стало быть, непосредственно из этого источника, а не возникает
благодаря превращению массы в энергию. Ибо число элементарных частиц с
конечной массой покоя во время атомного взрыва совершенно не уменьшается.
Правда, энергия связи "строительных кирпичей" атомного ядра проявляет себя
также в массах покоя ядер, и поэтому высвобождение энергии косвенно связано
и с изменением масс атомных ядер.
Эквивалентность массы и энергии, кроме своего огромного значения для
практической физики, подняла также вопросы, связанные с очень старой
философской проблематикой. Различные философские системы прошлого исходили
из тезиса, что субстанция, или материя, неуничтожима. Эксперименты, которые
проводятся в современной физике, показали, что элементарные частицы,
например, позитроны и электроны, могут быть уничтожены и превращены в
излучение. Означает ли это, что более старые философские системы тем самым
опровергнуты новейшим опытом и что аргументы, выдвигающиеся в этих более
ранних системах, должны считаться ложными?
Это было бы, несомненно, несколько преждевременное и неоправданное
заключение, ибо понятия "субстанция" и "материя" в античной или
средневековой философии нельзя просто отождествлять с понятием "масса" в
современной физике. Если наши современные знания выразить на языке более
старых философских систем, то можно было бы, например, массу и энергию
рассматривать в качестве двух различных форм одной и той же субстанции и,
таким образом, сохранить представление о неуничтожимости субстанции.
С другой стороны, едва ли можно сказать, что так уж много достигают,
выражая новейшие знания на старом языке. Философские системы прошлого
сформировались из всей совокупности знаний того времени и поэтому
соответствуют тому образу мышления, какой приводил к этим знаниям. Имеется
полное основание считать, что философы, размышлявшие о природе много
столетий назад, не могли предвидеть развитие квантовой теории или теории
относительности. Поэтому понятия, к которым философы давно прошедшего
времени пришли на основе анализа своих знаний о природе, не могут ныне
соответствовать явлениям, могущим быть наблюдаемыми только с помощью
сложнейших -технических средств нашего времени.
Но прежде чем будут обсуждены философские выводы из теории
относительности, следует еще кратко обрисовать ее дальнейшее развитие.
Гипотетическая субстанция "эфир", игравшая столь важную роль в более
ранних истолкованиях теории Максвелла в XIX столетии, как это уже
упоминалось выше, была устранена теорией относительности. Это обстоятельство
часто выражают также в виде утверждения, что теорией относительности было
устранено абсолютное пространство. Но такое утверждение нуждается в
некоторых оговорках. Правда, согласно специальной теории относительности,
больше нельзя выбрать определенную систему отсчета, относительно которой
эфир покоился бы и которая по этой причине заслуживала бы название
"абсолютной". Но было бы все же неправильно утверждать, что теперь
пространство будто бы потеряло все физические качества. Уравнения движения
материальных тел или полей все еще принимают различный вид в "обычной"
системе отсчета и в другой системе, равномерно вращающейся относительно
"обычной" системы отсчета. Если ограничиваются теорией относительности 1905,
1906 годов, то существование, центробежных сил во вращающейся системе
отсчета доказывает, что существуют физические свойства пространства,
позволяющие отличить вращающиеся системы от невращающихся.
В философском плане это не кажется удовлетворительным, и было бы
предпочтительнее приписывать физические свойства только физическим объектам,
как, например, материальным телам или полям, а не пустому пространству.
