Физика пространства - времени

Галилей и Ньютон считали, что движение можно адекватно описать в жёсткой эвклидовой системе отсчёта, распространённой на всё пространство и сохраняющейся неизменной во все времена. Такая система остаётся вне изменений, происходящих с веществом и с энергией. В этом идеальном пространстве Галилея и Ньютона действует таинственная сила тяготения, контрабандой занесённая из мира физики, чуждое влияние, не описываемое геометрией. Напротив, Эйнштейн утверждает, что нет никакого таинственного тяготения — налицо лишь структура самого пространства-времени.

Эйнштейн против Ньютона — множество инерциальных систем отсчёта, каждая из которых локальна, против единой глобальной системы

Он говорит: сядьте в космический корабль, и вы убедитесь, что там нет тяжести. Локально физика лишена тяготения (разд. 2 гл. 1). Все свободные частицы движутся прямолинейно с постоянными скоростями, и в инерциальной системе отсчёта физика проста. Однако такие системы инерциальны лишь в ограниченной области пространства-времени, и этот факт мы подчёркивали, постоянно называя инерциальные системы отсчёта локальными. Трудности возникают, когда мы описываем связь между направлением движения частицы, наблюдаемым из двух соседних локальных систем отсчёта. Согласно Эйнштейну, все различия в направлениях в данной системе и соседней локальной системе отсчёта характеризуются «кривизной пространства-времени». Факт существования этой кривизны делает невозможным описание движения в единой идеальной эвклидовой системе отсчёта, охватывающей пространство. Геометрия проста лишь в областях, достаточно малых для того, чтобы они казались плоскими. Короче говоря, Эйнштейн пользуется множеством локальных областей, в каждой из которых геометрия лоренцева («частная теория относительности»), и законы тяготения проистекают от неидеального соответствия между одной локальной областью и соседней с ней (гравитация как кривизна пространства-времени —«общая теория относительности»). У Ньютона была единая глобальная система отсчёта, но в этой системе нет ни одного спутника, на котором отсутствовала бы тяжесть, и ни одна частица не может двигаться там прямолинейно и равномерно.

Как развивались воззрения Галилея, Ньютона и Эйнштейна? И в чём, собственно, смысл странного выражения «кривизна пространства-времени»?

Общеизвестно глубочайшее противоречие между результатами опытов Галилея по свободному падению и утверждением Аристотеля о том, что «нисходящее движение масс золота, или свинца, или любых иных весомых тел происходит тем быстрее, чем больше их вес». За несколько лет до опытов Галилея Молетти в Падуе утверждал, что свинцовые и деревянные грузы падают одинаково быстро, но этого утверждения было недостаточно, чтобы опровергнуть взгляд Аристотеля. Для окончательного доказательства потребовалось вмешательство Галилея. Неясно, бросал ли Галилей свинцовые и деревянные грузы с «Падающей башни» в Пизе, но он определённо провёл более убедительные эксперименты с потенциально более высокой степенью точности, чем опыт с «Падающей башни» ¹).

¹) Подробности см. в книге Галлилео Галлилея «Диалоги о двух науках», впервые опубликованной в марте 1638 г. [Русский перевод: Галлилей, Диалоги о двух новых науках, ОНТИ, М., 1937.]

ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ

Пиза, 14 февраля 1564 г. — Арчетри, близ Флоренции, 8 января 1642 г.

«Мой портрет уже закончен, сходство очень хорошее, рука отличного мастера». 22 сентября 1635 г.

* * *

«Если кто-либо и когда-либо мог претендовать на то, чтобы быть выделенным из числа других людей за свой разум, так это Птоломей и Коперник, заслуга которых в том, что они дальше всех заглянули в Систему Мира и наиболее глубоко её исследовали».

* * *

«Дорогой мой Кеплер, что мы сделаем со всем с этим? Будем ли смеяться или плакать?»

* * *

«Когда же я перестану удивляться?»

Кто, вступая на путь первооткрывателя закона ускоренного падения, мог обойти исследование полёта снаряда? Изучая этот полёт и стремясь описать его простейшим образом, Галилей должен был прийти к мысли о сложении движений — движения по вертикали с постоянным направленным вниз ускорением и горизонтального движения с постоянной скоростью (равномерного переноса). Отсюда оставался всего лишь шаг до принципа относительности в первой из его известных формулировок. Вот что говорят действующие лица в книге Галилея ²):

²) Книга Галилео Галилея «Диалоги о двух главнейших системах мира — птоломеевой и коперниканской» впервые опубликована в феврале 1632 г. [Русский перевод: Галилей, Диалоги о двух главнейших системах мира, Гостехиздат, М., 1947.] Сочинения Галилея, как и сочинения Данте, по своей силе и насыщенности — сокровища человеческой мысли, и учащиеся средних школ Италии изучают их как часть великого литературного наследия.