6. Гелиоцентрическое учение и теория относительности

Переходим теперь к рассмотрению гелиоцентрического учения в свете теории относительности, но для этого нам необходимо вспомнить принципы классической (ньютоновой) механики и познакомиться с основными положениями теории относительности.

Механика как наука о движении материальных объектов в пространстве стала наукой в истинном смысле этого слова в XVII столетии, когда Галилео Галилей и Исаак Ньютон сформулировали ее принципы и разработали основы ее методов. Основные кинематические характеристики механического движения - это скорость и ускорение тел, поэтому совершенно ясно, что говорить о движении вне пространства и времени представляется абсурдным. Отсюда следует, что трактовка понятий пространства и времени и их взаимосвязи в механике имеет принципиальное значение.

Радикальное отличие классической механики от теории относительности заключается именно в различной трактовке понятий пространства и времени и пространственно-временных отношений между материальными телами, ибо эти отношения не могут существовать сами по себе, в отрыве от материального мира. Чтобы говорить об изменении относительных положений между телами со временем, необходимо рассмотреть некоторую систему отсчета, в которой введены единицы времени и расстояния.

Под системой отсчета мы понимаем систему пространственных координат (x, y, z) и способ отсчета времени (t), так что система отсчета, вообще говоря,- это четырехмерная система координат (x, y, z, t).

Классическая механика возникла в результате изучения свойств твердых тел, движущихся с небольшими скоростями, в то время как теория относительности появилась в конце XIX и в начале XX столетий при изучении электромагнитных явлений, для которых характерны огромные скорости распространения. Известно, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света, составляющей 299 792,5 км/с.

В сочинении "Диалог о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой" Галилей, помимо убедительной критики геоцентрической доктрины Птолемея, формулирует один из основных принципов классической механики - принцип относительности, развитый впоследствии Ньютоном в "Математических началах натуральной философии". Этот принцип гласит, что прямолинейное и равномерное движение системы, рассматриваемой как единое целое, не влияет на ход механических процессов, происходящих внутри системы.

Согласно механике Галилея - Ньютона механическое движение тел происходит в трехмерном пространстве (пространстве с тремя измерениями: длиной, шириной и высотой), в котором справедливы аксиомы и теоремы евклидовой геометрии, и по этой причине оно называется евклидовым пространством. Наряду с евклидовым пространством и независимо от него рассматривается время.

Со школьной скамьи нам хорошо известны три основных закона классической механики, открытых. Галилеем и Ньютоном (закон инерции, пропорциональность силы и ускорения, равенство действия и противодействия), но в теории пространства и времени, характерной для ньютоновой механики, наиболее важным является первый закон механики, постулирующий существование таких систем отсчета, в которых тела, не подверженные действию внешних сил, движутся прямолинейно и равномерно. Такие системы отсчета называются инерциальными, и они играют ключевую роль как в ньютоновой механике, так и в теории относительности.

Если рассматривать две инерциальные системы отсчета (x, y, z, t) и (x', y', z', t), движущиеся одна относительно другой поступательно, равномерно и прямолинейно с постоянной скоростью v, проекции которой на оси координат суть v_x, v_y, v_z, то связь между пространственно-временными координатами в этих двух системах выражается так называемыми преобразованиями Галилея:

Последнее равенство утверждает, что время имеет абсолютный характер и его течение в различных инерциальных системах отсчета неизменно. Именно оно и выражает основное различие ньютоновой механики и теории относительности.

Из преобразований и принципа относительности Галилея вытекает, что в инерциальных системах отсчета длина и промежутки времени неизменны.

Эти выводы вполне согласуются, более того, вытекают из многовековой человеческой деятельности в области механики, для которой характерны скорости, пренебрежимо малые по сравнению со скоростью света.

В 60-х годах прошлого столетия знаменитый английский физик Джеймс Максвелл (1831-1879) вывел основные уравнения электродинамики. Из этих уравнений следует, что если рассматривать явление распространения света как движение волновой поверхности, каждая точка которой движется по нормали к поверхности^* со скоростью света с, то скорость света является универсальной постоянной.

^* (Нормаль - это перпендикуляр к поверхности, точнее, к касательной плоскости, проведенной через данную точку поверхности.)

Тот большой раздел современной физики, который принято в наше время называть теорией относительности, может быть разделен на две части: специальная (частная) теория относительности и общая теория относительности.

Специальная теория относительности базируется на тех же принципах, что и классическая механика. Галилея - Ньютона, но к ним добавляется еще одно существенное положение, согласующееся с электродинамикой: скорость света с не зависит от скорости источника, излучающего свет. Другими словами, во всех инерциальных системах скорость распространения электромагнитных волн (т. е. скорость света) одна и та же.

Сочетание принципов ньютоновой механики (принцип относительности Галилея, первый закон Ньютона) с принципом независимости скорости световой волны от скорости источника позволяет вывести новые соотношения между двумя инерциальными системами отсчета, впервые полученные Гендриком Лоренцем (1853-1928).

Рассмотрим снова две инерциальные системы отсчета (x, y, z, t) и (x', y', z', t'), из которых вторая поступательно движется относительно первой со скоростью v вдоль оси x.

Формулы преобразования координат и времени в специальной теории относительности имеют такой вид:

Эти формулы называются преобразованиями Лоренца и являются основополагающими в специальной теории относительности. Из них следует, что не только координаты, но и время также подвергается преобразованию, и, следовательно, каждой системе отсчета свойственно свое собственное время, в отличие от классической механики, где время считалось одним и тем же во всех инерциальных системах отсчета. Если предположить, что скорость движения v Водной инерциальной системы относительно другой настолько мала по сравнению со скоростью света с, что отношением ^v2/_c² можно пренебречь, то тогда ?формулы преобразования Лоренца переходят в формулы классической механики Галилея, приведенные ?выше.

Из формул преобразования Лоренца, в частности, следует вывод, что по отношению к движущейся системе отсчета длины движущихся тел представляются укороченными в направлении движения. Можно показать, что два события, происходящие одновременно в одной системе отсчета, не будут одновременными в другой системе отсчета.

Принципы классической механики исходили из того, что скорость света бесконечна, и это приводило к понятию абсолютной одновременности событий в различных системах отсчета, независимо от того, с какой скоростью одна система отсчета движется относительно другой. В специальной теории относительности, одним из постулатов которой является конечность скорости света, неодновременные события в одной системе отсчета могут оказаться одновременными в другой системе отсчета, и наоборот.

Все сказанное относится к специальной (частной) теории относительности, в соответствии с которой свет распространяется прямолинейно.

В общей теории относительности, созданной знаменитым физиком XX столетия Альбертом Эйнштейном (1879-1955), луч света распространяется непрямолинейно. Это заключение вытекает из того факта, что световая волна, обладая энергией, обладает и массой, в соответствии с фундаментальным соотношением, выведенным Эйнштейном:

где E - энергия, m - масса.

Но вследствие всемирного тяготения всякая масса (в том числе и световой луч), находящаяся в поле тяготения, испытывает притяжение других масс и сама в свою очередь притягивает другие массы. Отсюда следует, например, что световые лучи, идущие к нам от далеких звезд и проходящие вблизи Солнца, искривляют свой путь около Солнца.

Таким образом, общая теория относительности- это часть современной физики, которая объединяет в единое целое теории тяготения, пространства и времени. Создание общей теории относительности повлекло за собой расширение теории пространства и времени. Геометрические свойства реального физического пространства и времени на самом деле оказались гораздо более сложными, чем в классической механике, и они не объяснимы в рамках геометрии Евклида. Как доказал в 1909 году известный математик и физик Герман Минковский (1864-1909), математическим образом для свойств пространства и времени в общей теории относительности является риманова геометрия, названная так в честь ее создателя, выдающегося немецкого математика XIX столетия Бернарда Римана (1826-1866).

В общей теории относительности считается, что свойства пространства и времени зависят от распределения и движения материальных объектов и в конечном итоге обусловлены тяготением.

Существуют различные трактовки основных исходных идей общей теории относительности. Одна трактовка принадлежит ее создателю, Альберту Эйнштейну, и заключается в том, что ускорение, подобно скорости, имеет относительный характер. Это означает, что любые системы отсчета, в том числе неинерциальные (системы отсчета, движущиеся одна относительно другой с отличным от нуля ускорением), равноправны. Вспомним, что в специальной теории относительности равноправными считаются лишь инерциальные системы отсчета. В свете такой трактовки никакой системе отсчета (связана ли она с Солнцем, с Землей, или с каким-нибудь третьим числом) нельзя приписать преимущественное положение. Другими словами, нельзя считать, что утверждение о том, что Земля движется вокруг Солнца, правильно, а утверждение о том, что Солнце движется вокруг Земли, неправильно. Следовательно, с такой точки зрения геоцентрическая система Птолемея и гелиоцентрическая система Коперника равноправны. Согласно другой трактовке, развитой академиком В. А. Фоком, общая теория относительности не является обобщением специальной теории относительности па случай ускоренно движущихся систем отсчета, а является теорией тяготения, так как она связывает ?закон всемирного тяготения с пространственно-временными характеристиками материи.

С точки зрения теории тяготения птолемеева и коперникова системы мироздания не являются равноправными. Если учесть, что Солнечная система находится на значительном расстоянии от других звезд, составляющих поле тяготения в нашей Галактике, то "оказывается, что к ней применимы основные принципы специальной, а не общей теории относительности, а согласно специальной теории относительности ускорение имеет, вообще говоря, абсолютный характер. Поэтому можно сделать вывод о том, что теория тяготения Эйнштейна не поколебала истинный приоритет системы Коперника перед системой Птолемея.

Г. М. Идлис в статье из сборника "Николай Коперник" отмечает, что желание сделать эквивалентными в рамках общей теории относительности две системы мира, Птолемея и Коперника, равносильно введению дополнительного гравитационного поля, не существующего в природе. Следовательно, лишь с помощью допущения, имеющего фиктивный, нереальный характер, можно добиться эквивалентности, равноправия геоцентрической и гелиоцентрической систем. Очевидно, что такое допущение лишено всякого смысла, поскольку установление истинности гелиоцентрической системы мира не нуждается в подобном допущении.