7.1. Новый взгляд на пространство и время

Появление второй научной картины мира было связано, в первую очередь, со сменой геоцентризма гелиоцентризмом. Третья научная картина мира отказалась от какого-либо центризма вообще. По новым представлениям, Вселенная стала рассматриваться безграничной, а у безграничности, как известно, не может быть центра. А вернее, таким центром можно считать любую точку. Но это будет условный или относительный центр, и вся система отсчета, связанная с ним, тоже будет условной или относительной. То есть, она будет верной при одном выбранном центре (или относительно него), но при другом (относительно другого) станет неверной. Таким образом, все системы отсчета и все вытекающие из них утверждения будут относительными, — правильными в одних координатах и неправильными в других. «Относительный» на латинском языке, как известно, relativus, поэтому третья, или эйнштейновская научная картина мира, часто называется релятивистской.

В ее основу легла знаменитая теория относительности, созданная Эйнштейном в начале XX в. Основу этой теории составило новое представление о пространстве и времени, которое перевернуло привычные представления и очевидные истины, существовавшие несколько столетий и считавшиеся безусловными в классическом естествознании, которое базировалось на ньютоновской механике.

По представлениям Ньютона, пространство и время являются вместилищами материи. Они существуют вечно, сами по себе, всегда неизменны и ни от чего не зависят. Так, например, если бы материи не было, то пространство и время все равно были бы. То есть, им абсолютно безразлично, заполнены они материей или нет; они вполне могут существовать пустыми. Для иллюстрации можно сравнить их с сосудом, а материю — с жидкостью, которая наливается в него. Так вот сосуд остается всегда одним и тем же, несмотря ни на какие изменения, происходящие в жидкости, содержащейся в нем. Ее может быть мало, а может — много, ее может вовсе не быть; она может быть теплой или холодной, окрашенной или бесцветной и так далее. Все это никак не влияет на сосуд, который ее в себе содержит. Так же и ньютоновские пространство и время всегда остаются одними и теми же, несмотря ни на какие изменения, происходящие с материей, их заполняющей.

Объектом изучения классического или ньютоновского естествознания, считавшего пространство и время вместилищами материи, был макромир. Однако, как уже говорилось, по современным представлениям, помимо макромира есть еще две области природы. Одна из них — это микромир, а другая — мегамир.

Проникновение научной мысли в микромир и мегамир началось в первые годы XX в., стало одним из главных признаков третьей научной революции и одной из основных черт новой, неклассической картины мира. Ньютоновское или классическое естествознание имело дело только с макромиром, который мы можем непосредственно наблюдать, и который поэтому является для нас наиболее изученным и понятным. Наши о нем представления во многом исходят из очевидных вещей и здравого смысла. Совсем наоборот обстоит дело с микро- и мегамирами, которые выходят за пределы нашего жизненного опыта и недоступны для наблюдения. Неудивительно поэтому, что законы, которые там действуют, вполне могут не совпадать с нашими обычными представлениями, привычными ожиданиями, очевидными вещами и здравым смыслом.

Если ньютоновская механика говорила, что пространство и время — это независимые и неизменные мировые объекты, никак не связанные с материей, которая их заполняет, то теория относительности Эйнштейна показала, что такое утверждение справедливо только для макромира, то есть для земных условий, масштабов и скоростей. И действительно, с какой скоростью не передвигались бы по Земле и в ее атмосфере различные материальные объекты, и пространство и время для всех этих объектов одинаковы, никак не меняются, постоянно остаются одними и теми же. Однако если рассмотреть скорости, которые в сотни раз превышают земные и являются для нас недоступными, то картина окажется совершенно иной. Самой большой из всех известных и возможных скоростей является скорость света. Она равна 300000 км/с. Если бы мы могли передвигаться с такой скоростью, то всего за одну секунду «обежали» бы Землю по экватору приблизительно семь с половиной раз. Со скоростью света можно добраться до Луны немногим более, чем за секунду, а от Земли до Солнца, расстояние между которыми составляет около 150 млн км, — примерно за восемь минут. Любая земная скорость по сравнению со скоростью света равна нулю. Русский поэт Леонид Мартынов даже написал об этом такие стихи:

Это почти неподвижности мука,

Мчаться куда-то со скоростью звука,

Зная при этом, что есть уже где-то

Некто, летящий со скоростью света.

Эйнштейн показал в своей теории относительности, что при движении материальных объектов со скоростями, близкими к скорости света, и пространство, и время для этих объектов меняются: пространство искривляется, а время начинает течь медленнее, что совершенно невероятно для привычных нам земных условий и напрочь исключается законами ньютоновской механики. На самом деле ничего удивительного нет. Просто земные условия и скорости — это одна система отсчета, а космические масштабы и скорость света — совсем другая. Для одной системы отсчета пространство и время представляют собой одно, а для другой — совершенно другое. То есть относительно одних условий получается одна картина, а относительно других — совсем иная. Стало быть, никакой абсолютной, точной, безупречной, везде и всегда верной и единственной картины вещей и системы отсчета быть не может, так как все относительно. Понятно, почему эйнштейновское открытие получило название теории относительности.

Для пояснения выводов, следующих из нее, приведем простой пример.

Допустим с Земли стартовал космический корабль со скоростью, близкой к световой и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Однако согласно теории относительности по часам корабля этот полет продолжался бы всего год (ведь при движении со скоростью света ход времени по сравнению с земным значительно замедляется). Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца. Нельзя спрашивать, почему за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Ведь в разных системах отсчета (на Земле и в космическом корабле) время текло по-разному, и сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, тогда как в корабле прошел всего один год.

Теория относительности показала, что не существует неизменного и абсолютного как пространства, так и времени. Если и то, и другое меняется вслед за изменениями, происходящими с материей (например, изменениями скорости), значит пространство и время — это не независимые от материи ее вместилища, как представлялось Ньютону, а, наоборот, ее неотъемлемые свойства, или признаки, или качества. По новым представлениям без материи нет ни пространства, ни времени, так же, как без пространства и времени не может быть материи. Говоря проще, пространство, время и материя — это не разные объекты (наподобие сосуда и налитой в него жидкости), а, по крупному счету, одно и то же. Когда в апреле 1921 г. корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Таймс» спросил Эйнштейна, как бы он мог просто и кратко сформулировать главную идею своей теории, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы; согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

Эйнштейновская теория вовсе не опровергла законы классической механики. Она показала, что они справедливы только для определенных условий или масштабов и не могут быть всеобщими, как считал Ньютон. Они способны описать и объяснить только некий фрагмент реальности, но далеко не все существующее. Теория относительности, охватившая гораздо большую область действительности по сравнению с объектами классического естествознания, включила в себя ньютоновскую механику на правах частного случая, установила для нее ограниченную область применения.

Вопросы для самопроверки

Почему третья научная картина мира называется релятивистской?

Что является главным объектом теории относительности? Что представляют собой пространство и время с точки зрения классической механики?

Вспомните, что такое макромир, микромир и мегамир. Какой из них был объектом классического естествознания? Чем отличаются человеческие представления о макромире от представлений о микро- и мегамирах?

Какова основная идея теории относительности? Чем являются пространство и время с ее точки зрения?

Почему нельзя говорить, что теория относительности опровергла законы классической механики? Как соотносятся эйнштейновская теория относительности и ньютоновская классическая механика?