Продолжение
Начало см. в http://phenomen.ru/forum/index.php?showtopic=387 .

4. Все ли физики верят в физическую относительность?

В наши дни многие убеждены в незыблемости положения об относительности пространства, времени, движения, якобы доказанного А.Эйнштейном. Не все знают, что признание объективного характера физической относительности приводит к появлению несуразиц, которые могут быть устранены только путем устранения физической относительности. Одной из таких несуразиц является привычный для нас, но весьма странный эффект, который я называю здесь причинно-следственной аномалией.
Пожалуй, первым, кто понял неприемлемость признания объективного характера физической относительности, и предпринял меры по ее изгнанию из «начал натуральной философии», был Ньютон, а первым, кто попытался изгнать относительность из специальной теории относительности, был один из ее творцов Г. Минковский.
«Понятия пространства и времени составляют основу физики. Согласно специальной теории относительности пространство и время относительны — результаты измерения длины и времени зависят от того, движется наблюдатель (относительно объекта) или нет» [1].
Так или примерно так трактуется современный взгляд на пространство и время во многих популярных изданиях.
На самом же деле не всё так просто и однозначно в современном понимании физических пространства и времени. Многие физики не очень любят говорить об относительности пространства и об относительности времени. Чаще они говорят о несостоятельности концепции абсолютного пространства и абсолютного времени, не делая ударения на их относительности.
Нежелание лишний раз упоминать относительные пространство и время объясняется тем, что у физиков нет единого понимания физического содержания понятий пространства и времени. Одна часть физиков рассматривает пространство как таковое и время как таковое как объективные реальности; при этом кто-то из них полностью соглашается с тезисом относительности этих реальностей, кто-то соглашается с оговорками. У другой части физиков (и математиков) отношение к пространству определяется философской концепцией Минковского, согласно которой “…пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в тени и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность” [2]. Т.е пространства как такового и времени как такового, согласно представлениям этих физиков и математиков, попросту нет в природе, а говорить о физических свойствах того, чего нет, бессмысленно. Реально, по их мнению, четырехмерное пространство, представляющее собой неразделимое на составные части переплетение пространства и времени.
Почему Минковский пришел к выводу, что относительных пространства и времени самих по себе нет?
По очень простой причине – Минковский полагал, что в природе ничего относительного вообще существовать не может. Довольно доходчиво об этом написано в книге А.А. Фридмана «Мир как пространство и время» [2].
По существу Минковский был антирелятивистом, но поскольку термин «антирелятивизм» часто истолковывается как неприятие теории относительности, а Минковский был не противником, а напротив, одним из творцов теории относительности, то вместо термина «антирелятивизм» я буду использовать термин «контррелятивизм». Контррелятивистами я буду называть сторонников теории относительности, выступающих против концепции физического релятивизма и противопоставляющих ему концепцию абсолютного мира.
Чтобы понять ход мыслей контррелятивистов, давайте проанализируем следующие утверждения:
1. В данном спичечном коробке находится 34 спички;
2. Солнце большое;
3. Скорость данного тела равна 85 км/ч;
4. Электрический заряд шарика равен 6,2 нанокулона.
Первое утверждение можно подтвердить или опровергнуть экспериментально, пересчитав спички.
Такая количественная характеристика, как количество спичек в коробке, может быть названа абсолютной характеристикой. Под абсолютностью здесь понимается безусловность и безотносительность количества спичек в спичечном коробке. Под безусловностью и безотносительностью количества спичек, в свою очередь, понимается определенность количества и невозможность при правильном подсчете получить разное количество спичек в данном коробке в разных условиях наблюдения, если изменение этих условий не сопровождается извлечением спичек из коробка или добавлением спичек в него.
Количество спичек в коробке нельзя изменить, не извлекая спичек из коробка и не докладывая их него. Этого нельзя сделать, мысленно обращаясь к сторонним объектам, например, к Луне, горе, к вагону идущего поезда или даже к Господу Богу. Количество спичек в коробке есть объективная реальность. Кто бы спички не пересчитал, их будет 34. Математики могли бы сказать, что количество спичек инвариантно (т.е. неизменно) к выбору вспомогательных (сторонних) объектов.
Второе утверждение экспериментально подтвердить или опровергнуть нельзя. Этого нельзя сделать потому, что характеристика Солнца «большое» - относительная и сама по себе (без указания вспомогательного объекта сравнения) не отражает объективной реальности (природа не «знает», большое Солнце или маленькое).
Мы можем сказать, что Солнце большое, лишь выбрав в нашем воображении вспомогательный объект, по отношению к которому рассматриваем размеры Солнца.
Если в качестве вспомогательного объекта сравнения мы выбираем галактику, то назовем Солнце маленьким, если в качестве вспомогательного объекта выбираем, скажем, гору или даже Луну, то назовем Солнце большим. Вот так относительная характеристика Солнца зависит от нашего желания и произвола. Она зависит от нашего произвола потому, что ее нет в природе, она существует только в нашем сознании.
Вообще под относительной характеристикой данного объекта следует понимать такую характеристику, которая не имеет смысла без привлечения вспомогательного, чаще всего стороннего, объекта.
Нельзя экспериментальным путем подтвердить или опровергнуть и третье утверждение – утверждение о равенстве скорости данного тела 85 км/ч. Это утверждение, как и второе, бессмысленно без указания вспомогательного объекта.
Характеристика быстроты перемещения тела, т.е. его скорость, сходна с характеристикой Солнца, задаваемой с помощью относительных понятий «большое» и «маленькое», несмотря на то, что первая является количественной характеристикой, а вторая не является таковой.
Схожесть скорости тела с характеристикой Солнца с помощью понятия «большой» состоит в том, что, чтобы придать смысл скорости 85 км/ч, необходимо ввести или выбрать вспомогательную конструкцию (хотя бы воображаемую), такую как вспомогательное тело отсчета или система отсчета.
Скорость данного тела, если оно лежит на столе в вагоне идущего по гористой местности поезда, равна нулю относительно вагона и 85 км/ч относительно гор. Скорость данного тела, как и предыдущая характеристика Солнца, зависит не от самого тела, а от сторонних объектов, не имеющих с телом тесной материальной связи. Сторонние объекты мы можем выбирать произвольно. То же самое относится и к кинетической энергии данного тела.
Все это столь же странно, как если бы количество кустов бузины в нашем подмосковном огороде зависело бы от того, кого из дальних и не находящихся с нами ни в каких контактах родственников мы вспомнили при подсчете кустов: дядьку, проживающего в Киеве или же тетку в Мурманске.
Поэтому, по мнению контррелятивистов, в реальном мире сами по себе не существуют большое, малое, скорость, кинетическая энергия, и тому подобные относительные характеристики и свойства.
Многие физики и математики, разделяющие точку зрения Минковского, говорят, например, о скорости или о кинетической энергии не как о физических, а как о координатных [3], несобственных [2], нереальных и не имеющих физического смысла [4] величинах.
Если вы внимательно проанализируете все знакомые вам относительные понятия и оценки, то, возможно, согласитесь с доводами контррелятивистов.
Негативная оценка относительных физических величин контррелятивистами согласуется с определением физической величины и ее размера в метрологии.
Под физической величиной понимают “свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта“. Размером физической величины называют “количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию “физическая величина” [5-7].
В определении размера физической величины объекта особо указывается, что данный физический объект содержит (заключает в себе) определенное количество некоторого свойства, т.е. является его носителем ("собственником").
Это значит, что размер физической величины объекта должен зависеть от того, что собой представляет данный объект, чем он обладает, и что с ним происходит, а не от того, кто и откуда этот размер измеряет. Изменение размера физической величины данного объекта как его принадлежности должно происходить только вследствие изменений самого объекта, приводящих к частичным потере или к приобретению части «собственности». Т.е. размеры физических величин должны вести себя так, как ведет себя количество спичек в коробке, а не как относительная характеристика Солнца с помощью понятий «большое» и «маленькое», требующая обращения к дополнительному объекту, который не упоминается в определении. Говоря математическим языком, размеры физических величин, согласно определению, должны быть инвариантными к произвольному выбору систем отсчета. Инвариантность является математическим аналогом физической абсолютности. Замечу, что под абсолютными и относительными величинами мы понимаем величины, соответственно зависящие и не зависящие от произвольного выбора систем отсчета (мы здесь не рассматриваем относительные величины как безразмерные отношения величин к исходным величинам).
К истинно физическим величинам, которые отвечают определению физической величины, следует отнести электрический заряд. Электрический заряд тела (или частицы) инвариантен, т.е. сохраняется неизменным во всех системах отсчета. Он принадлежит телу, а тело является его носителем. Поэтому четвертое утверждение о равенстве заряда шарика 6,2 нанокулона, можно проверить экспериментально и убедиться в его истинности или ложности без необходимости ссылки на вспомогательные объекты.
Если строго придерживаться определения физической величины, то сегодня чуть ли не все физические величины нужно считать не имеющими физического смысла (или, по меньшей мере, не отвечающими определению физической величины) из-за их относительности-неинвариантности. В современной физике не только скорость и кинетическая энергия, но и пространственная протяженность (длина), временная длительность, считаются относительными.
Минковский, уточняя математический аппарат теории относительности, обнаружил существование четырехмерных математических аналогов обычных относительных величин. Эти аналоги оказались инвариантными к произвольному выбору систем отсчета. Минковский счел возможным рассматривать инвариантность как математический признак реальности физических объектов и объявил реальностью четырехмерный мир, где в четырехмерном пространстве находятся объекты с абсолютными четырехмерными характеристиками свойств.
Примерно такой же точки зрения придерживался Фридман. Т.е. Минковский, Фридман и многие их единомышленники полагали, что в реальном (четырехмерном) мире все абсолютно. Минковский отмечал, что термин "постулат относительности" кажется ему слишком бледным, и предлагал “постулату относительности” дать название "постулат абсолютного мира" [2]. Разумеется, переименовывая постулат, необходимо отречься от привычного для нас мира в пользу неуловимого и не наблюдаемого четырехмерного мира.
Однако и сегодня далеко не все физики готовы на такой шаг, хотя мнение о неудачности названия «теория относительности» высказывается не так уж редко.

5. Два пути сохранения причинно-следственной связи в механике

Сегодня многие считают, что физический релятивизм связан с именем А. Эйнштейна и что Эйнштейн теоретически доказал относительность пространства, времени, движения.
Такое мнение нельзя считать бесспорным по двум причинам.
Во-первых, провозгласив в первой работе относительность пространственных и временных характеристик и движения, Эйнштейн в дальнейшем принял концепцию Минковского, а во-вторых, математическое обоснование относительности пространства и движения было дано еще Ньютоном.
Под «житейской» (почему «житейской», будет ясно из нижеследующей цитаты Ньютона) относительностью пространства в ньютоновской механике следует понимать не зависимость геометрических размеров от выбора системы отсчета, а математическое равноправие всех инерциальных систем отсчета в части записи основных законов механики. Но именно как математическое равноправие (инвариантность математической записи законов в разных инерциальных системах отсчета) и трактуется принцип относительности у Эйнштейна (правда, инвариантность у Эйнштейна распространяется не только на законы механики, но и на все остальные законы). В практическом плане ньютоновская механика была чисто релятивистской теорией, поскольку математический аппарат ньютоновской механики описывает только относительные скорости. Никаких абсолютных скоростей в математическом аппарате механики Ньютона нет, и математический аппарат ньютоновской механики не дает даже намека не вычисление абсолютных скоростей.
Вспомните, что решение основного уравнения динамики материальной точки mdv/dt=F дает для скорости v результат v=(F/m)t+ C, где - C произвольная константа. Константа C может быть любой. Она становится определенной только тогда, когда вы привязываетесь к определенной системе отсчета и, как начальное условие, задаете величину C. При этом по отношению к основному уравнению динамики все инерциальные системы отсчета оказываются равными. Это, по сути дела, является теоретическим обоснованием относительности скорости и пространства.
Математика не позволяет выделить какую-либо инерциальную систему отсчета из бесчисленного множества таких систем.
Введя абсолютное пространство с абсолютными скоростями, Ньютон действовал как философ, идущий наперекор математическим следствиям своей теории, но в соответствии с его философскими убеждениями.
«Вместо абсолютных мест и движений пользуются относительными; в делах житейских это не представляет неудобств, в философских необходимо отвлечение от чувства», - писал Ньютон.
В делах «житейских»!
Именно по этой причине С.И. Вавилов справедливо писал: «Как физик Ньютон был релятивистом, как философ он признавал абсолютное пространство и время».
Зачем же было нужно Ньютону «отвлекаться от чувств» и вводить абсолютное пространство с абсолютным движением, которого в его теории нет? Ведь девиз Ньютона был «Гипотез не измышляю»!
Сейчас вряд ли возможно понять причины введения Ньютоном абсолютного пространства. Но вопрос даже не в том, чем руководствовался Ньютон. Вопрос в другом. Почему в классической механике физики, понимающие, что математический аппарат Ньютона-Лейбница не согласуется с идеей абсолютного пространства, придерживались, тем не менее, точки зрения Ньютона, а не точки зрения Лейбница, считавшего пространство относительным?
Здесь несколько причин, но, быть может, важнейшей из них та, что признание относительности пространства приводит к аномалии причинно-следственной связи между физическими явлениями и процессами, а физики прошлых веков в отличие от физиков 20-го столетия не были склонны считать нарушение здравого смысла нормой. В наше время философы, занятые проблемой причинности в микромире, порой даже не замечают серьезности этой проблемы в классической механике и в эйнштейновской релятивистской физике.
Нарушение причинно-следственной связи состоит в том, что в относительном пространстве действия или процессы, которые привели к изменению физического состояния физического объекта, часто нельзя рассматривать как безусловную и безотносительную причину изменения этого состояния. Причинно-следственная связь в таких случаях имеет место лишь в рамках одной системы отсчета. Переход в другую систему отсчета либо приводит к видоизменению следствия (увеличение количества может «превратиться» в его уменьшение), либо вообще создает беспричинные эффекты.
Если, к примеру, некий дискобол, находясь в инерциальной системе отсчета K, бросил диск, и последний приобрел некоторую скорость и кинетическую энергию, то приобретение диском кинетической энергии нельзя рассматривать как следствие физических действий дискобола, сопровождавшихся выполнением определенной работы. Соответственно, и физические действия, происходившие при бросании диска нельзя рассматривать как причину приобретения кинетической энергии диском. Это обстоятельство обусловлено тем, что всегда можно найти систему отсчета К’, в которой диск, после того, как он был брошен дискоболом, покоится и не обладает приобретенной им кинетической энергией, зато летит и обладает кинетической энергией аналогичный диск, который дискобол еще не успел метнуть и который продолжает находиться у его ног.
Т.е. покоящемуся диску можно сообщить кинетическую энергию, не оказывая на него физического воздействия, а, попросту, перейдя в систему отсчета, в которой данный диск оказывается движущимся. При этом диск приобретает кинетическую энергию без причины, имеющей материальную природу.
Кто-то может сказать, что такой переход и есть причина изменения кинетической энергии тела, однако в таком утверждении вряд ли больше смысла, чем в утверждении, что переезд упомянутого дядьки в Киеве из одной квартиры в другую привело к разрастанию бузины в нашем подмосковном огороде. Ведь переходя из одной системы отсчета в другую, мы не оказываем физического действия на диск, как киевский дядька, переезжая из одной квартиры в другую, не оказывает влияния на бузину.
Иногда говорят, что обладает или нет данное тело кинетической энергией, зависит не от самого тела, а от нашей «точки зрения», т.е. от того, в какую систему отсчета мы забрались с измерительными приборами. Физики привыкли к этой «очевидной истине», но для философа, тем более материалиста, такое поведение энергии должно бы выглядеть довольно странным, но и философы-материалисты настолько привыкли к этой странности, что воспринимают ее как нечто само собой разумеющееся.
Причинно-следственная аномалия не затрагивает абсолютных величин. Например, если мы увеличим электрический заряд тела путем его подзарядки, то увеличение заряда будет следствием подзарядки, а подзарядка, в свою очередь, причиной увеличения заряда всюду (во всех системах отсчета). Никаких аномалий здесь не возникает.
Ньютон, введя абсолютное пространство, избавил механику от относительности скорости и, как следствие, от причинно-следственных аномалий. Тела в классической физике покоились или двигались в абсолютном пространстве с абсолютными скоростями. Любое изменение абсолютной скорости тела или сопутствующих скорости размеров физических величин сопровождалось каким-то воздействием на тело и объяснялось наличием однозначной безотносительной причинно-следственной связи между этим воздействием и изменением размеров физических величин. Нарушения же однозначности причинно-следственной связи между воздействием на объект и изменениями размеров физических величин при переходе в другие (не абсолютные) системы отсчета всегда можно было объяснить «житейскими» обстоятельствами - ведь «житейские» размеры физических величин в неабсолютных (их называли также местными или локальными) системах отсчета рассматривались как не реальные, а кажущиеся.
В специальной теории относительность с одной стороны расширяется перечень физических величин, которые ведут себя аналогично кинетической энергии и скорости, с другой появляется абсолютное четырехмерное пространство Минковского и инвариантные величины, смягчающие проблему причинно-следственной связи.
Таким образом, сегодня можно говорить о существовании двух путей, которые позволяют сохранить однозначность причинно-следственной связи в физике. Оба пути увязаны с признанием абсолютного пространства.
В первом случае, это абсолютное пространство Ньютона (заполнено или не заполнено оно гипотетическим эфиром – это второстепенный вопрос, не имеющий отношения к рассматриваемой проблеме и не меняющий ее сути).
Несостоятельность такого подхода сегодня считается общепризнанным фактом, и мы не будем этого оспаривать.
Во втором случае используется абсолютное пространство Минковского (пространство-время).
Спорность такого пути заключается в том, что пространство Минковского имеет чисто формальный математический характер; оно так же экспериментально неуловимо, как и эфир.
В следующей (и последней) заметке я хотел бы предложить вашему вниманию третий путь решения проблемы причинно-следственной связи в физике. Этот путь не требует ни введения гипотетического абсолютного пространства (или эфира), ни опоры на четырехмерную формальную модель Минковского как на объективную реальность. Относительность одновременности – вот, как бы это ни парадоксально звучало, средство против физической относительности и причинно-следственных аномалий в механике и в физике вообще.

Окончание следует.

Литература

1. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. Научная картина мира. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%...%B8%D1%80%D0%B0 .
2. А.А. Фридман. Мир как пространство и время. М., Изд. Наука, 1965, с. 49; 62-63; 103-104.
3. А.А. Логунов. Лекции по теории относительности и гравитации: Современный анализ проблемы. М., Изд. Наука, 1982, с. 36; 99.
4. Я.П. Терлецкий. Парадоксы теории относительности. М., Изд. Наука, 1966, с. 12, 53.
5. Г.Д. Бурдун. Единицы физических величин. М., Изд. Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1967.
6. Л.В. Сена. Единицы физических величин и их размерности. М., Изд. Наука, 1977. 37.
7. А.Г. Чертов. Единицы физических величин. М., Изд. Высшая школа, 1977.