3. Философские вопросы теории относительности и релятивистской космологии

3.1. Релятивистская физика и исследование

СВОЙСТВ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Создание А.Эйнштейном релятивистской физики было осуществлено в два этапа: специальная (частная) теория относительности (СТО - 1905 г.), часто интерпретируемая как теория пространства–времени, и общая теория относительности (ОТО - 1916 г.), понимаемая в качестве релятивистской теории тяготения. Прежде чем охарактеризовать главную суть и философские смыслы релятивистской физики напомним особенности так называемых субстанциальной и реляционной концепций пространства и времени.

Классическое противостояние субстанциальной и реляционной концепций пространства и времени связано со взглядами И.Ньютона и Г.Лейбница и исторически представлено полемикой последнего с ньютонианцем С.Кларком. Субстанциальная концепция Ньютона – Кларка выражается в постулативности свойств “абсолютного пространства” и “абсолютного времени” как ни от чего не зависящих сущностей, т. е. как самостоятельных субстанций. Весомым аргументом для этой концепции была вера в абсолютную значимость геометрии Евклида. Лейбниц же настаивал на реляционном характере свойств пространства и времени и писал: “ …ссылаются на пример, который встречается как раз в одном из моих доказательств против реального абсолютного пространства, этого идола некоторых современных англичан. Я говорю здесь об идоле не в богословском, а в философском смысле, как когда-то канцлер Бэкон говорил об idola tribus, idola specus… Я неоднократно подчеркивал, что считаю пространство, так же как и время, чем-то чисто относительным: пространство - порядком сосуществования, а время - порядком последовательностей… Для опровержения мнения тех, которые считают пространство субстанцией или по крайней мере какой-то абсолютной сущностью, у меня имеется несколько доказательств” (Лейбниц Г.В. Переписка с Кларком // Соч., Т.1. М., 1982. С.441).

В той мере, в какой ньютоновская научная парадигма занимала по сути господствующее положение вплоть до начала ХХ века, сохраняла свою силу и субстанциальная концепция пространства и времени. Лишь в конце Х1Х в. австрийский физик Э.Мах вполне осознанно подверг критике существующую традицию, заявляя: “Время и пространство существуют в определенных отношениях физических объектов, и эти отношения не только вносятся нами, а существуют в связи и во взаимной зависимости явлений” (Мах Э. Механика // Альберт Эйнштейн и теория гравитации. М., 1979. С.71).

У истоков создания СТО лежит творческая деятельность главным образом трех ученых - Г.Лоренца, А.Пуанкаре и А.Эйнштейна. Первым двум в самом начале ХХ в. удалось разработать математический аппарат, физический смысл которому придал молодой А.Эйнштейн в своей знаменитой работе “К электродинамике движущихся тел”, опубликованной в 1905 г. А.Эйнштейн исходил из двух постулатов: 1) постоянство скорости света в вакууме вне зависимости от движения систем отсчета; 2) законы физики должны быть инвариантны (одинаковы) в любой инерциальной системе отсчета. Эти требования привели к физическому смыслу преобразований Лоренца, к так называемым релятивистским эффектам сокращения длин и замедления хода времени, к относительности одновременности, к инвариантности так называемого интервала. В конечном счете главная заслуга СТО состояла в том, что была выявлена релятивистская связь между физическими понятиями пространства и времени, приведшая к становлению понятия пространства-времени, выражающего эту связь. В свою очередь Г.Минковскому удалось придать этой связи смысл удачной геометрической модели - четырехмерного геометрического многообразия. Мир Минковского создавал возможность описания любых релятивистских событий в четырехмерном псевдоевклидовом пространстве, где четвертая координата была квазивременной. Главный содержательный физический смысл СТО состоял в том, что возникла механика (кинематика) быстрых движений, т.е. таких которые происходят со скоростями сравнимыми со скоростью света. Сама же скорость света есть максимально возможная скорость процессов в природе (в природе нет процессов происходящих со скоростями большими, чем скорость света).

Фактически СТО установила относительный характер пространственно-временных свойств, выявляемых в физическом исследовании. Философско-мировоззренческий смысл этой относительности может быть интерпретирован как зависимость пространственно-временных свойств от характера движения и взаимодействий соответствующих природных процессов. Еще в большей степени эта зависимость может быть выявлена в рамках анализа смыслов, которые содержит в себе ОТО.

Одной из теоретических предпосылок создания эйнштейновской ОТО явились математические исследования различных вариантов неевклидовой геометрии (Н.И. Лобачевский, Я.Бойяи, К.Гаусс, Б.Риман) в первой половине Х1Х в. Исходно неевклидова геометрия вырастала на основе отказа от пятого постулата Евклида, утверждавшего, что в плоскости через точку вне заданной прямой можно провести лишь одну прямую параллельную первой. Интересно отметить, что хотя в математической истинности своего варианта геометрии Н.И.Лобачевский не сомневался и даже стремился с помощью экспериментов доказать его справедливость, он все же назвал его “воображаемой геометрией” в противовес “наглядной” геометрии Евклида.

Становление и развитие ОТО служит довольно убедительной иллюстрацией тезиса о развитии знания от абстрактного к конкретному в теории. В самом деле, первоначально возникшая у Эйнштейна идея об общей относительности как теории, обобщающей принцип относительности для произвольно выбранной системы отсчета, в конечном счете привела к релятивистской теории тяготения. Одной из центральных идей ОТО следует считать положение, которое Эйнштейн выразил следующими словами: “В общей теории относительности представления о пространстве и времени, или кинематика, перестают быть фундаментальными, независимыми ни от чего понятиями физики. Геометрические характеристики тел, их поведение и ход часов зависят прежде всего от гравитационных полей, которые в свою очередь создаются материальными телами” (Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. Т.1. М., 1966. С.680).

Другой постулат ОТО - принцип эквивалентности, явно отождествляющий инерцию и тяготение, неявно ведет к представлению о том, что симметричный фундаментальный тензор

gik определяет как метрические свойства пространства, так и действие гравитации. В действительности же, принцип эквивалентности не несет в себе полного решения проблемы геометризации гравитации, что связано с его локальным характером и, следовательно, неприменимостью к гравитационному полю в целом.

Обычно при интерпретации математического формализма ОТО полная геометризация гравитации осуществляется на основе гипотезы о том, что метрический тензор характеризует и потенциалы поля, и кривизну пространства; более того, по существу, происходит полное отождествление последних. Результатом такого отождествления оказывается, что ОТО, по мнению некоторых физиков, отошла в сторону от магистральной линии, намеченной ее постулатами, ибо свелась к теории искривленного пространства-времени.

Следует признать, что исходные мировоззренческие положения при создании любой фундаментальной конкретно-научной теории имеют трудно переоценимый смысл для самих этих теорий, не говоря уже об их философском значении. Представление о физической реальности поля тяготения, по сути, означает, что гравитация есть вид “физической” материи. В таком случае гравитационное поле характеризуется потенциалами и напряженностями поля, так что эти величины, как и другие предполагаемые физические свойства поля (энергетические, существование квант и др.), не являются в настоящее время непосредственно измеряемыми, наблюдаемыми величинами. Следует признать, что неоднородность напряженности гравитационного поля интерпретируется подчас как кривизна пространства. Однако надо иметь в виду, что “понятие кривизны пространства в значительной мере условно. Оно не означает, что наше трехмерное пространство или четырехмерное пространство-время искривлено в буквальном смысле слова по отношению к объемлющему пространству. Этот термин указывает лишь то, что данное пространство имеет геометрическую структуру, отличную от эвклидовой. Кривизна есть математическое выражение этого отличия” (Чудинов Э.М. Теория относительности и философия. М., 1974. С.104-105).

Полная замена гравитации метрикой пространства-времени неправомерна, что следует из принципиального содержания ОТО. Вообще, нельзя требовать от конкретно-научной теории (в данном случае от ОТО) больше того, что она вправе дать: ОТО вскрывает лишь одну определенную сторону гравитационного поля - его геометрический аспект. Феномен же гравитации не сводится к единственному аспекту - метрике пространства-времени, а лишь проявляется в нем.

Когда решается вопрос о геометрии физического пространства, то необходимо учитывать, о какой области действительности в данном случае идет речь, т.е. взаимодействия какого типа доминируют в этой области объективного мира. Гравитационные взаимодействия, обусловливающие пространственно-временные формы мегамира, в теории связаны с определенной геометрией. ОТО с ее представлением о неевклидовой геометрии пространства является более адекватной теорией, отражающей свойства пространства мегамира, чем релятивистская теория гравитации в плоском пространстве. Но из этого не следует, что релятивистская теория гравитации в плоском пространстве полностью пуста и бессодержательна. Наоборот, эта теория некоторым специфическим образом выражает связь, существующую между гравитационным и электромагнитным полями. А именно, электромагнитное поле объективно обусловливает свойства макропространства, отражаемые понятием пространства Минковского и являющиеся как бы фоном, на котором происходят гравитационные взаимодействия.

В макроскопической области действительности факт обусловленности свойств пространства электромагнитными взаимодействиями носит существенно внутренний характер, а гравитационные взаимодействия рассматриваются как нечто внешнее по отношению к этому пространственному фону. Обусловленность свойств макропространства электромагнитными процессами настолько имманентна, что порой не только не замечают этот факт, но и высказываются либо о субъективном, конвенциональном характере евклидовой геометрии макромира, либо о том, что будто бы сама евклидовость свидетельствует об отсутствии всяких материальных взаимодействий. И в том, и в другом случае неправомерно игнорируется философский принцип обусловленности пространственно-временных форм существования объектов их движением и взаимодействиями. Действительное положение вещей ориентирует на теоретическое осознание конкретного механизма обусловливания электромагнитными процессами евклидового характера макропространства, а не на сомнение в самом факте такого обусловливания.

История физической науки неопровержимо доказывает, что ее собственный ход развития связан со вскрытием все более и более глубоких закономерностей, управляющих, на первый взгляд, качественно различными областями физических явлений. Установление все большего числа таких закономерностей является бесспорным свидетельством диалектики дифференциации и интеграции современного физического знания, что показательно проявляется в релятивистской космологии.