МЕТОД ЭЙНШТЕЙНА В ДЕЙСТВИИ. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ИЛИ ОБОБЩЕННАЯ ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ?
Как уже сказано выше, теория относительности («специальная») явилась результатом обобщения экспериментальных фактов. Однако Эйнштейн по-своему истолковал причины ее появления. В свете сложившейся у него общей концепции он стал рассматривать ее как результат не обобщения экспериментальных фактов, а устранения из физики исключительности одной («абсолютной») системы отсчета. К этому толкала его и маховская критика основ ньютоновой механики, критика, которая в то время стала популярной среди физиков. Устранение из физики абсолютной системы отсчета, действительно, имело место. Но все дело в том, что не теория появилась в результате этого устранения, а оно само явилось существенным результатом теории. Пока дело касается одной, исходной теории, спор о том, что является в ней основой, а что следствием, может показаться схоластическим. Принципиальное различие позиций выясняется при построении новых теорий, когда избранная позиция становится руководящим методом поиска. Так произошло и в данном случае. Произведенный Эйнштейном переворот реальных соотношений в оценке причин возникновения теории относительности многим показался естественным и убедительным. Самого Эйнштейна он привел к развитию специфической для него методологии, из которой прямо вытекала задача дальнейшего упорядочения «концептуального фундамента» теории. Она возбудила в нем стремление расширить смысл принципа относительности, сформулировав его как общий принцип относительности, охватывающий любые (и ускоренные) системы отсчета; этот принцип он стал рассматривать как важную веху на пути построения рациональной физики. Но в этой стадии методология Эйнштейна вступила в свой первый конфликт с физикой. Рассмотрим логику его устремлений и полученные им результаты. Как сказано выше, Эйнштейн исходил из того, что принцип относительности устранил из физики идею об особом положении некоторой (единственной) абсолютной системы отсчета, в которой формулируются законы физики. Он считал это большим достижением, но все же неполным. На место одной выделенной системы встал целый класс систем, а именно инерциальных. Все физические процессы в нем протекают одинаково, но все же это — особый класс: вне его находится класс неинерциальных (ускоренных) систем, в которых процессы протекают неодинаково. Выделение некоторого класса систем (инерциальных) в особую категорию нарушало логическую стройность физического мышления. Эйнштейн полагал, что так же как нет одной исключительной (абсолютной) системы, так не должно быть и целого класса исключительных систем — инерциальных. Такая ситуация не соответствует и методологическому требованию Эйнштейна, чтобы теория была «внутренне совершенной». Встает задача: в формулировке физических законов освободиться от учета того, что привносят в них неинерциальные системы, найти единую форму для выражения физических законов, независимую от класса систем отсчета. Как же это осуществить? Две теории, созданные Эйнштейном, подсказывают путь к этому — теория относительности и обобщенная теория тяготения. Развивая теорию относительности (принцип относительности для инерциальных систем), Эйнштейн пришел к образу пространственно-временного континуума. Метрика этого континуума имеет псевдоевклидов характер. В этой псевдоевклидовости отражены свойства класса инерциальных систем. Формулируя обобщенную теорию тяготения, Эйнштейн включил поля тяготения в континуум посредством изменения его метрики. Оперирование с метрикой континуума упростило «концептуальный фундамент», освободило его от ряда понятий (дальнодействующие силы, инерциальное движение и т. п.). Законы движения в этом континууме физики уже научились выражать в общековариантной форме. Возникает вопрос: нельзя ли влияние неинерциальных систем на движение учесть тем же методом — через пространственно-временной континуум путем соответствующего подбора его метрики? Если бы это удалось сделать, то проблема неинерциальных систем была бы снята, физика имела бы дело только с метрикой континуума, в котором закон движения выражается в общековариантной форме. Это и означало бы, с точки зрения Эйнштейна, что найден «общий принцип относительности». От сформулированного прежде «специального принципа относительности» (как его стал именовать Эйнштейн) «общий принцип относительности» отличался бы тем, что он охватывал бы не только класс инерциальных, но также и класс неинерциальных систем. Другими словами, он утверждал бы, что относительна не только скорость, но и ускорение. Такова была задача, поставленная Эйнштейном. Но возможность выразить влияние неинерциальных систем на движение через метрику пространственно-временного континуума могла быть обоснована только в том случае, если бы была доказана эквивалентность полей ускорения полям тяготения. На это и было направлено внимание Эйнштейна. Однако доказательств эквивалентности произвольных, встречающихся в природе, полей ускорения и полей тяготения он не дал. Он указывал на мысленный опыт с закрытым лифтом; наблюдатель в таком лифте не имел бы возможности установить, движется ли его лифт равномерно ускоренно или же он покоится, но находится в поле тяготения: все физические процессы в обеих ситуациях протекали бы одинаково. Но идеализированный опыт с падающим лифтом доказывает эквивалентность только в частном случае специально подобранных однородных полей. В общем же случае, например во вращающихся системах, эквивалентность можно принять только для бесконечно малого, сводимого к точке, пространства, в котором поля можно принять за однородные. Иначе это формулируется так: принцип эквивалентности — локальный принцип. Для всего конечного пространства, для полей, взятых в целом, эквивалентность нарушается. Принцип неприменим, например, к солнечной системе. Идеализированный опыт с падающим лифтом не может служить аргументом в пользу общего принципа эквивалентности произвольных полей ускорения и полей тяготения. Неприменимость принципа эквивалентности к конечному пространству вытекает также и из свойств того математического аппарата, посредством которого отображается пространственно-временной континуум. Как известно, он описывается дифференциальными уравнениями в частных производных. Такое описание только тогда может быть адекватным физической реальности, когда одновременно определены так называемые граничные или краевые условия. Краевые условия и уравнения в частных производных — неразделимые элементы теоретического отображения физической реальности. Требование краевых условий нельзя игнорировать, это означало бы игнорирование свойств физической системы, взятой в целом. Но краевые условия для произвольных полей ускорения и для полей тяготения всегда будут различными. Например, во вращающихся системах энергия тел на бесконечности стремится к бесконечности, в то время как силы тяготения на бесконечности стремятся к нулю. Для инерциальных сил вращающейся системы нельзя подобрать в природе эквивалентного поля сил тяготения. Таким образом, идея включить влияние произвольных ускоренных систем в пространственно-временной континуум путем соответствующего подбора его метрики, аналогично тому как это делалось для полей тяготения, не могла быть осуществлена, и общий принцип относительности не был доказан. Это означает, что ускоренные системы реально влияют на ход физических процессов, в них происходящих. Ускорение не относительно, как скорость, а абсолютно. Возможность же выражения законов движения в ковариантной форме сама по себе еще не влечет за собой утверждения общего принципа относительности . Однако Эйнштейн стремился построить рациональную физическую теорию в духе своих методологических идей. Исключительность инерциальных систем, в которых действует принцип относительности, наличие ускоренных систем, в которых он не действует,— это не отвечало духу рациональной физической теории. Ему казалось, что имеется достаточно оснований признать ускорение столь же относительным, как и скорость. Из этого последовал и парадоксальный вывод о равноправности систем (и даже воззрений!) Птоломея и Коперника. Такое утверждение имеется и в книге «Эволюция физики». Авторы выражают его в очень яркой форме, пытаются обосновать новейшими физическими открытиями. А по существу их формулировка далеко выходит за пределы собственно физических утверждений. В этой книге Эйнштейн и Инфельд пишут: «Можем ли мы сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливыми для всех систем координат, не только для систем, движущихся прямолинейно и равномерно, но и для систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу? Если это можно сделать, то наши трудности будут разрешены. Тогда мы будем в состоянии применять законы природы в любой системе координат. Борьба между воззрениями Птоломея и Коперника, столь жестокая в ранние дни науки, стала бы тогда совершенно бессмысленной. Любая система координат могла бы применяться с одинаковым основанием. Два предложения — «Солнце покоится, а Земля движется» и «Солнце движется, а Земля покоится» — означали бы просто два различных соглашения о двух различных системах координат. Могли ли бы мы построить реальную релятивистскую физику..., в которой имело бы место не абсолютное, а лишь относительное движение? Это, в самом деле, оказывается возможным!» (стр. 176). Нетрудно понять, что эти «аргументы» против прогрессивного воззрения были широко использованы реакционными клерикальными кругами. Выше уже было показано, что физических оснований для утверждения о равноправности систем Птоломея и Коперника не существует, а так называемая «общая теория относительности» на самом деле есть обобщенная теория пространства, времени, тяготения. Что касается воззрений Коперника, то их прогрессивная роль в борьбе за развитие науки, против церковной реакционной идеологии вообще не подлежит сомнению. Борясь против системы Птоломея, Коперник развенчивал идею абсолютности, единственности системы, связанной с Землей. В этом отношении просветительные идеи Коперника имеют принципиально такое же значение, как и критика Эйнштейна в адрес дорелятивистских физиков, признававших абсолютную систему отсчета, связанную с эфиром. Коперник обосновывал справедливость своей системы не догматами, а научными доводами, смысл которых не утрачен и в наше время. Гелиоцентрическая система Коперника стала необходимой предпосылкой для дальнейшего развития астрономии: только на ее основе могли быть открыты известные законы Кеплера, а стало быть, и законы тяготения Ньютона, и далее развиты космогонические гипотезы, опиравшиеся на то, что в нашей планетарной системе существенную роль играет Солнце. Победа гелиоцентрического воззрения способствовала развитию научного мышления и поражению клерикальной идеологии. Трудно представить себе, что Эйнштейн, этот выдающийся гуманист нашего времени и искренний противник клерикализма, не понимал прогрессивного значения воззрений Коперника. И дело, конечно, обстоит не так. Об этом свидетельствует, например, послание Эйнштейна Колумбийскому университету по случаю 410-й годовщины со дня смерти Коперника, написанное в декабре 1953 года, за полтора года до кончины . В этом послании Эйнштейн отмечает и вклад Коперника «в освобождение человека от цепей клерикального господства», и тот факт, что «огромное достижение Коперника... проложило путь современной астрономии» и показало несостоятельность «иллюзии о центральном значении самого человека» в космосе. Идею о равноправности систем (и даже воззрений!) Птоломея и Коперника в устах Эйнштейна можно понять только как результат влияния узко профессиональных тенденций во взглядах самого Эйнштейна. Эти тенденции привели его к утверждению, будто ему удалось теоретически обобщить относительность на все ускоренные системы. Эту идею Эйнштейн оценивал как весьма революционную. Но она была выражена в крайне абстрактной форме, и он, по-видимому, искал такой формы ее изложения, которая дала бы возможность широкой публике почувствовать ее революционный смысл. Отсюда и появилось это парадоксальное объявление борьбы воззрений Птоломея и Коперника как бессмысленной в свете современной науки. А общественный резонанс такой акции ученый, увлекшись профессиональными целями, не сумел предвидеть. Эта проблема — Птоломей — Коперник — только прискорбный драматический эпизод, о котором пришлось здесь сказать ввиду большого общественного резонанса, который она получила, появившись в трудах маститых ученых, и особенно поскольку она изложена в столь популярной книге. В теоретическом же плане нас интересует вывод, какой можно сделать из изложенного выше. Он состоит в том, что нельзя устранить из физики разделения систем на различные классы, перейти от «частного» принципа относительности к «общему», доказать относительность ускорения. Правда, для большинства ведущих физиков эйнштейновская трактовка «общего принципа относительности» не представлялась как очевидное противоречие с развитием науки. Это связано с тем, что в термин «общий принцип относительности» вкладывается не однозначный смысл. Часто его применяют не в смысле относительности ускорений, а в смысле метода включения различных полей в метрику пространственно-временного континуума. Практически и Эйнштейн применял этот термин в том же смысле. Однако тогда возникает вопрос, можно ли, следуя этому методу, исчерпать все свойства природы? Сам Эйнштейн отвечал на этот вопрос положительно: он считал, что весь мир — континуум. Мы рассмотрим этот вопрос позднее. Говорят также о возможном получении из «общей теории относительности» новых выводов для звездной астрономии. Это дело безусловно перспективное. Однако в этом случае фактически речь идет о выводах обобщенной теории тяготения, возможности которой действительно не исчерпаны. Но это развитие теории не есть реализация гносеологических идей Эйнштейна. Итак, можно признать, что уже на первом этапе «рациональный метод познания» Эйнштейна не дал убедительных доказательств своей правомерности. Но здесь расхождение с реальным процессом познания еще не сказалось со всей очевидностью, не стало доказательным для всех физиков. Однако оно неминуемо должно было сказаться на следующих этапах развития физики.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «МЕТОД ЭЙНШТЕЙНА В ДЕЙСТВИИ. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ИЛИ ОБОБЩЕННАЯ ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ?» з дисципліни «Еволюція фізики»
