CC BY
91
Принцип дополнительности в философии и специальная теория относительности
0.A. Никонов
Электромеханический факультет МГТУ, кафедра физики
Аннотация. В работе рассматривается философское значение одного из важнейших методологических принципов физики - принципа дополнительности в процессе интерпретации основных положений специальной теории относительности, связанных с понятиями пространства и времени.
Abstract. In the work the philosophical meaning of one of the major methodological principles of physics - the principle of complementarity has been considered.
1. Введение
Пространство и время не тождественны друг другу. Вместе с тем пространство и время не противоположны друг другу. Специальная теория относительности объединяет пространство и время в единый пространственно-временной континуум, для описания которого необходимо применять два взаимно дополняющих классических понятия пространства и времени. Отношение между ними регулируется методологическим принципом дополнительности.
2. Принцип дополнительности в квантовой механике
Попытка постижения сути квантово-механических явлений вообще и двойственности природы электрона в частности привели Н. Бора в 1927 г. к формулировке принципа дополнительности, который иногда толкуют как обобщение соотношения неопределенностей, выведенного В. Гейзенбергом в том же году. В "Принципе дополнительности" (Алексеев, 1975) приводится следующая его формулировка: "Для описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих ("дополнительных") набора классических понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных". Н. Бор постулировал, что несовместимости (с точки зрения классической физики) в мире элементарных частиц, не исключают, а дополняют друг друга, как, например, волновое и корпускулярное представление электрона (Гивишвили, 1997). Уже в первой статье "Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории", излагающей концепцию дополнительности, Н. Бор указал, что ситуация, сложившаяся в связи с проблемой интерпретации квантовой механики, имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающими из разделения субъекта и объекта (Бор, 1971).
3. Принцип дополнительности в специальной теории относительности
Традиция рассмотрения объективных времени и пространства как автономных и независящих друг от друга атрибутов всего сущего родилась в древности. Время изначально символизировало непостоянство и изменчивость. Но изменчивость повторяющуюся, циклическую. Пространство, напротив, всегда мыслилось как нечто устойчивое, неподвластное переменам.
Г. Гегель указал путь решения этой проблемы: "Сущностью движения является то, что оно есть непосредственное единство пространства и времени. Лишь в движении пространство и время действительны" (Гегель, 1975).
Специальная теория относительности объединила трехмерное пространство и одномерное время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум.
Тем не менее, А. Эйнштейн никогда не заходил так далеко, чтобы фактически отождествлять оба эти понятия. Более того, вплоть до создания общей теории относительности Эйнштейн не порывал с ньютоновской трактовкой пространства как реальности, отличающейся способностью оставаться неизменной, например, относительно системы неподвижных звезд. Он не решился подвергнуть сомнению "совершенный" космологический принцип, гласивший, что Вселенная однородна, изотропна, статична. Это внутреннее противоречие общей теории относительности разрешил А. Фридман, который пришел к выводу, что Вселенная не может быть стационарной. Она должна либо сжиматься, либо расширяться. А. Фридман постулировал, что Вселенная расширяется. В 1929 г. Э. Хаббл установил, что Галактики разбегаются, Вселенная действительно расширяется.
Важнейшее эвристическое значение работ Хаббла состоит в том, что они ясно и недвусмысленно продемонстрировали истинность положения об отсутствии в природе абсолютного покоя. Нет системы неподвижных звезд, нет вообще ничего, что было бы стационарно закреплено в какой-либо точке пространства, и именно в этом смысле понятие абсолютного пространства лишено содержания.
Поскольку абсолютный покой является фикцией на всех уровнях организации материи, это означает одно: пространство и время неотделимы друг от друга, хотя и не взаимно тождественны. Вместе с тем они и не противоположны друг другу, между ними нет никакой борьбы, никаких противоречий. Отношения между ними описываются не в терминах традиционного дуализма, а в соответствии с принципом дополнительности Н. Бора (Гивишвили, 1997).
Бор пришел к формулировке обсуждаемого принципа, интерпретируя поведение электрона, обладающего свойствами частицы и волны одновременно. Так как частица отождествляется с веществом, а волна с излучением, можно сказать, что принцип дополнительности определяет взаимоотношение вещества и излучения как различных состояний единого целого — материи. Эквивалентность массы и энергии можно рассматривать как выполнение принципа дополнительности между этими понятиями.
Проблема состоит во взаимоотношении материальной субстанции вещества-излучения с нематериальной сущностью, т.е. со временем-пространством. Пространство, как и время, не обладает ни одним свойством, присущим физическим телам и полям. Пространство не участвует ни в каких взаимодействиях или явлениях, но наличествует во всех сразу наблюдаемых в природе процессах как арена, на которой они происходят. Оно не представляет собой посредника, источника или результата каких-либо реакций между различными видами материальных тел в том или ином их состоянии. В этом смысле пространство не является физическим объектом или субъектом. Его можно рассматривать только как возможность массивных тел и элементарных частиц совершать движения, то есть существовать. Оно, наряду со временем, — есть способ существования материи, а не ее разновидность. Поэтому есть все основания утверждать, что материя находится с пространством-временем не в генетической или причинно-следственной связи, а в отношениях, подпадающих под принцип дополнительности (Гивишвили, 1997).
Современной физической теорией пространства и времени является специальная теория относительности (СТО). Известно, что в основе СТО лежат три постулата, из которых выводятся однозначно преобразования Лоренца, с вытекающими из них следствиями, требующими отказа от привычных представлений о пространстве и времени. Анализ противоречий этих следствий теории относительности классическим представлениям о свойствах пространства и времени указывает на то, что эти противоречия возникают в результате попыток использования сложившихся стереотипов и неформализованных представлений о пространстве и времени в тех областях физики, в которых отсутствует повседневный опыт, на основе которого и происходит формирование здравого смысла.
Основной задачей физики является задача описания изменения состояния материальной системы, простейшим из которых является механическое движение, связанное с положением тела в пространстве и времени относительно других тел. Такое описание требует введения системы отсчета (СО). Хорошо известно, что любая СО должна содержать:
• тела отсчета;
• систему координат, жестко связанную с этими телами;
• масштабные линейки, задающие стандарты длин;
• идентичные синхронизованные часы, задающие стандарт времени.
Наличие всех перечисленных элементов позволяет установить взаимно однозначное соответствие между точками координатного пространства и времени, с одной стороны, и упорядоченной четверкой чисел, носящих название координат, — с другой.
В качестве тел отсчета выбираются твердые тела, с которыми жестко связывается система координат. Обычно, если об этом не оговорено особо, выбирается декартова система координат. Что касается часов, то под часами будем понимать любой периодический процесс. Выберем любой из них за часы нашей ИСО, считая по определению их равномерными.
Из всевозможных систем отсчета в СТО пользуются только инерциальными системами отсчета, которые отличаются от других СО тем, что свободная материальная точка в них либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно. При этом под свободной материальной точкой понимают материальную точку, от которой все источники сил отнесены на бесконечность.
Последовательный вывод преобразований Лоренца требует использования предположений, касающихся свойств пустого пространства и времени, свойств ИСО и свойств движения полей и вещества. Ниже сформулируем их в следующем виде:
• Пространство, свободное от полей и вещества, изотропно и однородно, а время в таком пространстве — однородно и однонаправлено.
• Все ИСО равноправны между собой в отношении протекания физических процессов.
• Скорость переноса вещества и распространения возмущений в пустом пространстве конечна и не превосходит некоторой величины, одной и той же для всех ИСО.
Эти предложения не противоречат имеющимся экспериментальным данным и называются постулатами СТО. Полезно обсудить эти постулаты и дать им расширенное толкование. Необходимо рассмотреть также правомерность их использования при описании процессов в рамках физических условий, отличных от идеальных.
Первый постулат указывает на то, что все точки пустого пространства и все направления в нем совершенно равноправны относительно протекания любых физических процессов. Это приводит к определенным ограничениям на возможный вид уравнений, описывающих эти процессы. Равноправие всех точек пространства и всех направлений можно интерпретировать как инвариантность уравнений относительно переноса начала координат и поворота осей, либо относительно переноса и поворота исследуемого процесса в рассматриваемой ИСО как целого.
Без сомнения, источники этого постулата связаны с экспериментальными данными.
Второй постулат СТО, называемый частным принципом относительности, представляется очевидным обобщением принципа относительности Галилея. Очевидно, что и сам Галилей, и Ньютон не сомневались в его общефизическом смысле. В те далекие годы механика и была всей физикой. И в настоящее время, когда границы применимости нерелятивистской макроскопической механики хорошо известны, мы понимаем, что те процессы, которые рассматривает классическая механика, являются следствием кооперативного действия нескольких фундаментальных сил и, прежде всего, электромагнитных. Если бы хотя бы для одной из них, например, гравитационной или ядерной силы, принцип относительности не имел бы места, он не имел бы места и для чисто механических сил, которые являются их суперпозицией.
Тем не менее, в начале XX века уравнения электродинамики Максвелла были выписаны для абсолютной системы отсчета, связанной со световым эфиром Гюйгенса, в которой электромагнитные волны распространялись с одной и той же скоростью, а следовательно, не удовлетворяли принципу относительности Галилея. Применение преобразований Галилея, описывающих переход от одной ИСО к другой, менял вид уравнений Максвелла и приводил к следствиям, неподтверждаемым экспериментом. И необходимо было иметь определенное мужество, чтобы в этих условиях утверждать применимость принципа относительности к электромагнитным и оптическим явлениям. Видимо, А. Эйнштейн первый осознал в полной мере, что преобразования Лоренца, полученные Лоренцем и Пуанкаре, и оставляющие неизменным вид уравнений электродинамики, и являются тем математическим аппаратом, который вместо преобразований Галилея, должен описывать переход из одной ИСО в другую. При этом преобразовании скорость распространения электромагнитных возмущений оставалась постоянной. Вот почему А. Эйнштейну не нужно было опираться на опыт Майкельсона (Пайс, 1989). Ему достаточно было верить в уравнения Максвелла.
В конце концов в основу СТО Эйнштейн мог положить преобразования Лоренца вместо преобразований Галилея. Однако он пошел по другому пути и не стал связывать напрямую построение релятивистской теории с электродинамикой Максвелла, полагая, что гораздо надежнее положить в основу теории общефизические утверждения, которые могут сохраниться даже в том случае, если уравнения Максвелла окажутся ошибочными.
Заметим, что формулировка третьего постулата СТО о постоянстве скорости света, используемая Эйнштейном, отличается от формулировки, принятой в настоящее время (Физический энциклопедический словарь, 1983). Эйнштейн сформулировал его именно так, как это вытекало из электродинамики Максвелла "Скорость света не зависит от скорости источника света" (Эйнштейн, 1965). Интересно, что именно в такой формулировке допустимо предположение существования среды — носителя света — электромагнитных волн, которая в отличие от светоносного эфира Гюйгенса, заполняющего все мировое пространство, окружает тела (Землю) и перемещается вместе с этими телами. В качестве такой среды можно предложить гравитационное поле или физический вакуум.
4. Выводы
1. Специальная теория относительности объединяет пространство и время в единый
пространственно-временной континуум и отношение между ними регулируется методологическим принципом дополнительности.
2. Релятивистские эффекты — сокращение длин стержней и замедление времени являются следствием структуры пространства и времени.
Следствия из преобразований Лоренца, связанные с сокращением длин и увеличением промежутков времени в различных инерциальных системах отсчета, на наш взгляд, можно рассматривать с позиций принципа дополнительности.
Литература
Алексеев И.С. Принцип дополнительности. В кн.: Методологические принципы физики. М, Наука, с.385, 1975.
Бор Н. Избранные научные труды. В 2 т. М, Наука, т.2, с.53, 1971.
Гегель Г.В.Ф. Энциклопедия философских наук. В 2 т. М., Наука, т.2, с.63, 1975.
Гивишвили Г.В. Принцип дополнительности и эволюция природы. Вопросы философии, № 4, с.72-85, 1997.
Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М., Наука, с.111-114, 1989. Физический энциклопедический словарь. М., Советская энциклопедия, с.507, 1983. Эйнштейн А. Собр. научных трудов. В 4 т. М., Наука, т.1, с.26-27, 1965.
