4.2. Навуковая рэвалюцыя пачатку хх стагоддзя: генезіс рэлятывісцкай фізікі

Практычна ва ўсіх філасофскіх і гістарычных рэканструкцыях працэсу стварэння рэлятывісцкай фізікі (тэорыі адноснасці) пальма першынства ў яе распрацоўцы аддаецца А.Эйнштэйну. Ёсць, аднак, і выключэнні з гэтага правіла, калі першастваральнікам дадзенага тэарэтычнага кірунку прызнаецца геніяльны французскі матэматык А.Пуанкарэ. Пры гэтым даводзіцца, што “менавіта ў яго працах упершыню былі сфармуляваныя ў дастаткова яснай і поўнай матэматычнай форме ўсе асноўныя палажэнні спецыяльнай тэорыі адноснасці”, што “менавіта ён быў першым, хто паставіў пытанне пра неабходнасць змянення тэорыі гравітацыі Н’ютана ў адпаведнасці з патрабаваннямі новага прынцыпу адноснасці і разгледзеў першы варыянт такой рэлятывісцкай тэорыі гравітацыі” [10, с.524]⁸³.

Сярод заслуг Пуанкарэ ў гэтым плане адзначаецца таксама, што менавіта ён упершыню рэзка крытычна паставіўся да такіх паняццяў класічнай фізікі, як эфір, абсалютны час, абсалютная адначасовасць (адпаведная яго праца “Вымярэнне часу” выйшла ў свет яшчэ ў 1898 г.) [10, с.533]. Ён высока ацаніў тэарэтычныя пабудовы А.Лорэнца (1853-1928), якія паўсталі як рэакцыя на адмоўны вынік эксперымента Майкельсана-Морлі, і ўвесь час падкрэсліваў прыярытэт галандскага фізіка ў распрацоўцы тэорыі адноснасці. Разам з тым Пуанкарэ востра крытыкаваў яго памкненне ўсімі магчымымі сродкамі “выратаваць” эфір.

Аўтары дадзенай гістарычнай канцэпцыі сцвярджаюць далей, што характэрная для творчасці вялікага французскага навукоўца “арыентацыя, з аднаго боку, на тэорыю Лорэнца, у якой хуткасць святла прымалася як незалежная ад руху яго крыніцы, а з іншага боку, на строгае выкананне прынцыпу адноснасці ўказвала той адзіна праўдзівы шлях, які вёў да стварэння тэорыі адноснасці” [10, с.545]. Развіваючы ідэі галандскага фізіка, Пуанкарэ сфармуляваў “патрабаванне інварыянтнасці ўсіх законаў фізікі адносна пераўтварэнняў Лорэнца” (г. зн. матэматычных пераўтварэнняў, якія дазвалялі перайсці ад адной інерцыяльнай сістэмы да іншай з улікам канстантнага характару хуткасці святла) [10, с.548]. У выніку ён атрымаў новую, строгую ў матэматычных адносінах фармулёўку ўніверсальнага прынцыпу адноснасці [10, с.548].

У рамках згаданай рэканструкцыі гісторыі ўзнікнення рэлятывісцкай фізікі даводзіцца таксама, што Пуанкарэ не толькі распрацаваў грунтоўныя палажэнні спецыяльнай тэорыі адноснасці, але і амаль адначасова (з невялікай перавагай у часе) з Эйнштэйнам сістэматызаваў іх [10, с.553]. Акрамя таго, ён упершыню ўвёў чатырохмернае ўяўленне пра прастору-час, што, як правіла, звязваецца з даследаваннямі нямецкага матэматыка Г.Мінкоўскага (1864-1908) [10, с.543].

Прыхільнікі ідэі, згодна з якой прыярытэт у стварэнні рэлятывісцкай фізікі належыць А.Пуанкарэ, указваюць таксама на істотныя разыходжанні паміж ім і Эйнштэйнам у інтэрпрэтацыі тэорыі адноснасці. Для Эйнштэйна яна ўяўляла сабой найперш новую тэорыю прасторы-часу. Пуанкарэ разглядаў яе ў першую чаргу ў сувязі з механікай звышхуткага руху, прасторава-часавыя трансфармацыі былі для яго чымсці другасным [10, с.554]. Як вядома, перамагла эйнштэйнаўская інтэрпрэтацыя, хоць прыхільнікам французскага навукоўца яна і падаецца значна больш павярхоўнай [10, с.554].

Неабходна таксама адзначыць, што ў рамках згаданай канцэпцыі не ігнаравалася пытанне пра прычыны дамінавання гістарычных рэканструкцый працэсу распрацоўкі рэлятывісцкай фізікі, якія аддаюць перавагу А.Эйнштэйну. Сярод згаданых прычын указваўся і збег гістарычных абставінаў, і асабістая сціпласць Пуанкарэ. А.А.Лагуноў піша ў дадзенай сувязі, што “ён – магчыма, як ніхто іншы, – надзвычай высока ацэньваў і славіў кожнага, хто даваў стымул для яго мыслення і радасць творчасці. Ён быў абсалютна пазбаўлены памкненняў да персанальнага навуковага прыярытэту” [61, c.140]. Таму ў прысвечаных дадзенай праблематыцы працах Пуанкарэ адстойваў прыярытэт лорэнцавай тэорыі, якую, аднак, ён сам кардынальна пераасэнсаваў. У сувязі з гэтым паўстала ілюзія, што яго погляды не выходзяць за межы лорэнцаўскага падыходу. На самай справе – пра гэта гаворка ўжо ішла вышэй – сітуацыя мела зусім іншы характар.

Тым не менш на дадзены момант неабходна прызнаць, што тэорыя адноснасці ўвайшла ў гісторыю культуры, філасофіі і навукі найперш як эйнштэйнаўская і што якраз у эйнштэйнаўскай фармулёўцы яна найбольш паўплывала на іх развіццё. Для большасці філосафаў, навукоўцаў, гісторыкаў навукі менавіта Эйнштэйн “радыкальным чынам спрасціў наяўную сітуацыю, адмовіўшыся адразу ад гіпотэзы эфіру і ад гіпотэзы абсалютнай прасторы і абсалютнага часу” [70, c.67]. Дзякуючы гэтаму ён пераадолеў супрацьлегласць прынцыпу адноснасці і закона руху святла ў вакуўме, паставіўшы на месца пераўтварэнняў Галілея пераўтварэнні Лорэнца [70, c.67]. Такім чынам, Эйнштэйну большасцю даследчыкаў прыпісваюцца ў дадзеным кантэксце заслугі⁸⁴, якія ў прыведзенай вышэй канцэпцыі прызнаюцца за Пуанкарэ.

Як ужо было падкрэслена, Эйнштэйн засяроджваўся найперш на прасторава-часавым аспекце тэорыі адноснасці. Першы крок, зроблены ім на шляху навуковага даследавання прасторы і часу, – гэта аналіз феномена адначасовасці⁸⁵. У выніку ён прыйшоў да высновы, што адначасовасць мае адносны характар. Таму – насуперак уяўленням класічнай фізікі – “кожнае цела адліку (каардынатная сістэма) мае свой адмысловы час; указанне часу мае сэнс толькі тады, калі ўказана цела адліку, з якім яно суадносіцца” [29, c.25]. Затым навуковец адзначае, што класічныя ўяўленні пра прастору таксама грунтуюцца на эмпірычна ніяк не апраўданым дапушчэнні, паводле якога “прасторавая адлегласць паміж двума пунктамі цвёрдага цела не залежыць ад стану руху цела адліку” [29, c.27].

Адмовіўшыся ад класічных гіпотэз пра незалежныя ад механічнага стану сістэмы адліку час і прастору, мы атрымліваем магчымасць спалучыць у рамках адзінай кагерэнтнай фізічнай тэорыі прынцып адноснасці і закон распаўсюджвання святла ў вакуўме. Для гэтага пераход ад адной інерцыяльнай сістэмы адліку да іншай павінен быць урэгуляваны такім чынам, каб ні ў якай з іх не парушаўся згаданы закон. Адпаведныя матэматычныя працэдуры былі ўжо ў наяўнасці ў арсенале фізікі – гэта пераўтварэнні Лорэнца.

З пераўтварэнняў Лорэнца вынікае надзвычай важнае палажэнне тэорыі адноснасці – палажэнне пра межавы характар хуткасці святла: механічныя сістэмы не могуць рухацца хутчэй, чым светлавы прамень. Меншыя за яе хуткасці не могуць пераўзысці яе і пры іх складанні. Са згаданых пераўтварэнняў вынікаюць таксама іншыя рэлятывісцкія эфекты, якія падаюцца парадаксальнымі: скарачэнне прасторавых памераў і замаруджванне часу ў сістэме, якая рухаецца, у параўнанні з той, што знаходзіцца ў спакоі (яны выяўляюцца тым больш выразна, чым большая хуткасць руху) [29, c.32-33]. Сярод рэлятывісцкіх эфектаў неабходна адзначыць і залежнасць масы аб’екта ад хуткасці яго руху (з павелічэннем хуткасці яна павялічваецца). З ім звязана агульнавядомае палажэнне спецыяльнай тэорыі адноснасці, у якім канстатуецца эквівалентнасць масы і энергіі. Праз яго рэлятывісцкая фізіка давяла чалавецтву пра наяўнасць у прыродзе каласальнага энергетычнага рэзервуара,⁸⁶ які можа быць выкарыстаны як для стваральных, так і для разбуральных мэтаў.

Найхарактэрнейшай рысай спецыяльнай тэорыі адноснасці з’яўляецца, такім чынам, указанне на адсутнасць прывілеяванай, абсалютнай сістэмы адліку сярод інерцыяльных сістэм. Сістэмы, што рухаюцца з паскарэннем, яна пакідала, аднак, па-за межамі кампетэнцыі свайго фундаментальнага прынцыпу – прынцыпу адноснасці. Таму – нават з чыста спекулятыўных меркаванняў – паўстала пытанне пра магымасць яго пашырэння на паскораны рух. Станоўчы адказ на згаданае пытанне і рэалізацыя адпаведнай магчымасці спарадзілі ўсеагульную тэорыю адноснасці, якая грунтавалася на ідэі эквівалентнасці эфектаў, што выклікаюцца ўздзеяннем аднароднага гравітацыйнага поля на пэўную сістэму і яе паскарэннем (у стане свабоднага падзення).

Прынцып эквівалентнасці гравітацыйнага поля і паскарэння сістэмы адліку абапіраўся ў сваю чаргу на адзначаны вышэй факт супадзення гравітацыйнай і інертнай мас. (Венгерскі фізік Л.Этвеш (1848-1919) выявіў у 1889 г., што яны супадаюць з дакладнасцю да 10^-9. А сучасныя эксперыментальныя даследаванні паказалі, што іх дачыненне роўнае 1 з адноснай хібнасцю да 10^-11 [70, c.101].) Дадзены прынцып дазваляў скасаваць вылучнае становішча інерцыяльных сістэм адліку і абагульніць прынцып адноснасці. У такіх умовах грунтоўныя законы фізікі маглі быць запісаныя ў аднолькавай матэматычнай форме адносна любых трансфармацый каардынат, г. зн. дасягаўся ўзровень іх усеагульнай каварыянтнасці. У фармальным плане каварыянтны іх запіс быў здзейснены пры дапамозе развітага пры канцы ХІХ – напачатку ХХ ст. тэнзарнага злічэння, якое паўстала “адначасова як абагульненне вектарнага і дыферэнцыяльнага злічэнняў” [70, c.102], г. зн. як сінтэтычны тэарэтычны феномен.

Змястоўная інтэрпрэтацыя адпаведных фармальных аперацый і іх вынікаў дазволіла зрабіць выснову пра залежнасць геаметрычных характарыстык прасторы-часу ад яе фізічных уласцівасцяў. Інакш кажучы, “фізічная прысутнасць матэрыі перадаецца матэматычнымі сродкамі праз крывізну” прасторава-часавага кантынуўму [70, c.102] і згаданая крывізна “тым больш моцная, чым больш канцэнтраваным з’яўляецца размеркаванне прынятай у разлік энергіі (г. зн. яна адпавядае большай шчыльнасці масы-энергіі⁸⁷)” [18, c.64]. Геаметрычныя характарыстыкі такой прасторы-часу не могуць быць апісаныя на аснове эўклідавых прынцыпаў. Таму ўсеагульная тэорыя адноснасці зрабіла запатрабаванай для фізічнага апісання рэальнасці неэўклідаву геаметрыю (у версіі, распрацаванай Б.Рыманам (1826-1866)), усе варыянты якой фігуравалі дагэтуль “як фармальныя сістэмы чыстай матэматыкі” [39, c.139].

Такім чынам, ва ўсеагульнай тэорыі адноснасці крывізна прасторы-часу звязваецца з размеркаваннем у ёй матэрыі, г. зн. геаметрычныя ўласцівасці космасу спасцігаюцца як залежныя ад яго матэрыяльнага напаўнення. Аднак дадзены яе аспект можна трактаваць не толькі як фізікалізацыю глабальнай касмічнай геаметрыі, ён можа быць пададзены таксама як геаметрызацыя глабальнай касмічнай дынамікі (у стылі Р.Дэкарта). Выбар таго ці іншага падыходу залежыць у дадзенай сітуацыі ад філасофскіх поглядаў інтэрпрэтатара (А.Эйнштэйн, як і шэраг іншых фізікаў, схіляўся, напрыклад, да картэзіянскага варыянту [34, т.3, c.719]). Ва ўсіх выпадках, аднак, геаметрыя ўніверсуму ва ўсеагульнай тэорыі адноснасці не вызначаецца выключна яго фізічнымі ўласцівасцямі. Справа ў тым, што пры яе вызначэнні навуковец мусіць кіравацца не толькі яе грунтоўнымі палажэннямі, але і папярэдне сфармуляванымі ў дачыненні да вымяральных працэдур патрабаваннямі. У сувязі з імі дапускаюцца перадумовы адносна пэўных уласцівасцяў космасу (напрыклад, незалежнасці вымяральных эталонаў ад іх перамяшчэння ў прасторы-часе [34, т.2, c.867]).

Важна мець на ўвазе, што ва ўсеагульнай тэорыі адноснасці прастора-час канчаткова страціла свой абсалютны і косны характар, зрабіўшыся гнуткай, эластычнай, здольнай скрыўляцца пад уздзеяннем масы-энергіі. Акрамя таго, яе ўласцівасці, яе геаметрыя (г.зн. і гравітацыйныя эфекты, што назіраюцца ў ёй) выявіліся як варыятыўныя, зменлівыя, розныя ў розных яе пунктах [77, c.210-211].

Неабходна адзначыць, што высновы, зробленыя ў абсягу рэлятывісцкай фізікі, былі неаднаразова пацверджаны ў эксперыментальных даследаваннях. Даведзенае спецыяльнай тэорыяй адноснасці ўзрастанне масы фізічных аб’ектаў з павелічэннем іх хуткасці, напрыклад, было дэтэктавана ў эксперыментах па паскарэнні элементарных часціц [70, c.76].

На аснове ўсеагульнай тэорыі адноснасці быў таксама зроблены шэраг прадказанняў, якія паспяхова прайшлі эмпірычную праверку. Сярод іх – указанне на запавольванне часу паблізу месцаў з вялікай канцэнтрацыяй масы. Гэты рэлятывісцкі эфект быў шмат разоў пацверджаны пры параўнанні паказанняў атамных гадзіннікаў на рознай адлегласці ад Зямлі [18, c.64]. Падчас сонечных зацменняў 1919 і 1921 гг. спраўдзілася прадказанне пра “уплыў гравітацыйнага поля на траекторыю светлавога промня” [30, c.234] (гэта прынесла А.Эйнштэйну сусветную славу). Усеагульная тэорыя адноснасці прадказала таксама існаванне гравітацыйных хваляў, г. зн. ваганняў гравітацыйнага поля, звязаных з лакальнымі яго змяненнямі, якія распаўсюджваюцца з хуткасцю святла ва ўсе бакі ад крыніцы згаданых змяненняў. Дадзенае прадказанне было пацверджана вытанчанымі, надзвычай дакладнымі назіраннямі за паводзінамі падвойных нейтронных зорак (бінарных нейтронаў). Вынікі згаданых назіранняў цалкам адпавядалі тэарэтычным разлікам, зробленым на аснове рэлятывісцкай фізікі (наяўнасць гравітацыйных хваляў павінна была выклікаць у дадзеным выпадку памяншэнне арбітальнага перыяду пульсараў, якое і было зафіксавана з дакладнасцю да 0,1%) [18, c.64-65]. Да цікавых эфектаў, што вынікаюць з усеагульнай тэорыі адноснасці і што спраўдзіліся на эмпірычным узроўні, належыць, мяркуючы па ўсім, і феномен вярчэння прасторы, выкліканага вярчэннем Зямлі (зусім нязначны, ён тым не менш быў выяўлены, як падаецца, у 2001 г.) [77, c.216].

Тэорыя адноснасці, прынятая навуковай супольнасцю ў эйнштэйнаўскай версіі, выглядае, такім чынам, досыць паспяховай і плённай. Тым не менш шэраг навукоўцаў (прыхільнікі і паслядоўнікі А.Пуанкарэ, прадстаўнікі канструктывісцкага кірунку) імкнуцца распрацаваць альтэрнатыўныя падыходы, якія, аднак, застаюцца на сённяшні дзень малавядомымі і не могуць пакуль усур’ёз спаборнічаць з ёю [46, т.8, c.630].

Неабходна адзначыць, што рэлятывісцкая фізіка кардынальным чынам змяніла ўяўленні чалавецтва пра прастору і час, і ў гэтым – яе каласальнае навуковае і культурнае значэнне. (Праўда, сучасны французскі фізік Т.Даму, з жалем заўважае, што большасць нашых сучаснікаў жыве і асэнсоўвае свой свет на аснове ўяўленняў ХІХ ст, якія ў сваю чаргу ўзыходзяць да навуковай рэвалюцыі пачатку Новага часу. Створаныя сучаснай навукай падставы для арганізацыі духоўнай дзейнасці, духоўнага жыцця, у прыватнасці рэлятывісцкае вучэнне пра прастору-час, застаюцца пры гэтым незапатрабаванымі і незадзейнічанымі [77, c.219.])

Такім чынам, рэлятывісцкую фізіку ўтвараюць спецыяльная і ўсеагульная тэорыі адноснасці. Спецыяльная тэорыя абагульняе класічны прынцып адноснасці, даводзячы пра інварыянтнасць усіх законаў фізікі (а не толькі законаў механікі) у інерцыяльных сістэмах адліку. У ёй пераадольваюцца ўяўленні пра абсалютную прастору і час, пра абсалютную адначасовасць і эфір. Прасторава-часавыя характарыстыкі пэўнай сістэмы залежаць ад яе руху, прывілеяваных, абсалютных рамак для дэтэктацыі яе руху не існуе. Падзеі, адначасовыя ў адной сістэме адліку, могуць быць розначасовымі ў другой. Ва ўсеагульнай тэорыі адноснасці найгрунтоўнейшы прынцып рэлятывісцкай фізікі пашыраецца на паскораны рух. У якасці асновы для такога пашырэння паслужыла ідэя эквівалентнасці эфектаў, якія выклікаюцца ўздзеяннем аднароднага гравітацыйнага поля на пэўную сістэму і яе паскарэннем (у стане свабоднага падзення). Ва ўсеагульнай тэорыі адноснасці прастора-час канчаткова страціла свой абсалютны і косны характар, зрабіўшыся гнуткай, эластычнай, здольнай скрыўляцца пад уздзеяннем масы-энергіі. Яе апісанне запатрабавала звароту да неэўклідавай (рыманаўскай) геаметрыі. Дзіўныя, парадаксальныя з пункту гледжання паўсядзённага досведу высновы, зробленыя ў абсягу рэлятывісцкай фізікі, а таксама цэлы шэраг звязаных з гэтымі высновамі тэарэтычных прадказанняў былі пацверджаны эмпірычнымі даследаваннямі. Хоць прынятая большасцю навуковай супольнасці эйнштэнаўская версія рэлятывісцкай фізікі выглядае паспяховай і плённай, некаторыя навукоўцы (прыхільнікі і паслядоўнікі А.Пуанкарэ, прадстаўнікі канструктывісцкага кірунку) імкнуцца тым не менш распрацаваць альтэрнатыўныя падыходы і канцэпцыі.

ПЫТАННІ І ЗАДАННІ

1. Ці пагодзіцеся Вы з прыведзеным у тэксце параграфа меркаваннем Т.Даму?

2. Дакажыце, што ўсеагульная тэорыя адноснасці была значна больш радыкальнай, чым спецыяльная, у сваім пераасэнсаванні уяўленняў пра прастору і час, якія дамінавалі на папярэднім этапе гістарычнага развіцця навукі.

3. У сучасных умовах вядуцца (паспяховыя паводле сведчанняў спецыялістаў [4, c.54]) даследаванні, скіраваныя на сінтэз фізікалісцкага (палявога) і геаметрычнага падыходаў да інтэрпрэтацыі прасторава-часавай структуры Сусвету. Прааналізуйце гэты факт з эпістэмалагічнага і метадалагічнага пункту гледжання.

4. Для сучаснага амерыканскага філосафа А.Грунбаўма відавочна, што тэорыя адноснасці зусім не змушае да прыняцця этычнага рэлятывізму [39, c.133]. Ці згодныя Вы з такой пазіцыяй? Адказ абгрунтуйце.