Специальная теория относительности – первый шаг физики к изучению природы пространства и времени
Парфенов К. В.
В сознании людей, знакомство которых с теорией относительности ограничивается сведениями из школьных учебников, она ассоциируется прежде всего с принципом относительности Эйнштейна. Недаром даже В.Высоцкий, рассуждая об относительности человеческих суждений, сразу вспомнил и эту теорию: «… даже Эйнштейн, физический гений, весьма относительно все понимал…». Между тем для физики основное значение теории относительности состояло в том, что она привела к переосмыслению физиками содержания важнейших для их концепций понятий – понятий пространства и времени. Важность их не вызывает никаких сомнений: если мы внимательно проанализируем методы, используемые как при экспериментальном исследовании физических явлений, так и при их теоретическом описании, мы заметим, что в их основе лежат представления именно о пространстве и времени. Мы вообще не можем построить в своем сознании образ реальных событий, не используя характеристик «где» и «когда». И вот, приступая к рассмотрению содержания теории относительности, нам нужно в первую очередь проследить (соблюдая либо логическую, либо историческую последовательность), как происходило развитие представлений о пространстве и времени.
В первую очередь попробуем ответить на вопрос: откуда вообще нам известно об их существовании? Разумеется, из опыта. Более того, эти понятия возникли в результате осмысления самых первых шагов нашего изучения окружающего мира. Еще до появления собственно человеческого мышления у нас формируется поисково-ориентировочный рефлекс, основанный на ощущении протяженности и изменчивости предметов окружающего мира. Логическая обработка этих ощущений приводит нас к понятиям расстояния и временного интервала. Для их измерения человечеству потребовалось определить эталоны (единицы измерения), представляющиеся неизменными. Первые эталоны длины связывались у разных народов с типичными размерами частей человеческого тела, а в качестве эталонных временных интервалов рассматривались периоды астрономических процессов (год, сутки и т.д.). Сейчас в качестве эталонных используются атомные процессы, что позволило улучшить точность измерений, но сама суть измерения как сравнения с эталоном осталась неизменной. Каковы же основные свойства пространства и времени, установленные в нашем «обычном», повседневном опыте?
Пространство обычно представляется нам непрерывным – мы можем вообразить предметы сколь угодно малого размера и прийти к понятию точки как элемента пространства с нулевым размером. На основе представлений о направлениях формулируютсяпонятия «прямой» и «угла», а далее мы устанавливаем трехмерность пространства – через заданную точку можно провести не более трех взаимно перпендикулярных прямых. Если подходить к восприятию мира более практично, можно заметить, что для получения полного представления о размерах произвольного предмета нам необходимо определить три расстояния – длину, ширину и высоту. Кроме того, мы обычно считаем, что разные точки пространства различаются не сами по себе, а лишь по наличию или отсутствию рядом с ними каких-либо тел. Говоря точнее, мы считаем, что поведение системы тел не изменится, если мы перенесем их в другое место в пространстве, в точности воссоздав внешние воздействия на эту систему. Это свойство пространства называют однородностью. Аналогично мы считаем, что все направления в пространстве одинаковы по свойствам, то есть что оно изотропно. Большие споры с древних времен вызывал вопрос о безграничности и бесконечности пространства. Обратим внимание: это два разных понятия. ............
