2. Относительность ускорения и вращения

С тех пор как гипотеза квазиматериальной среды, то есть эфира, была отброшена, вращение относительно системы F значило лишь вращение относительно пустого пространства. Согласно основной идее относительности, равномерное движение некоторой системы относительно пустого пространства не может оказывать никакого влияния на законы физики, в этой системе, но казалось, однако, в системе, находящейся в ускоренном или вращательном движении относительно пустого пространства, влияние этого движения будет сказываться на законах физики в этой системе. Это не казалось невозможным и Ньютону. Он рассматривал «пустое пространство» как некий космический объект, тождественный с «чувствилищем, бога», и считал очень правдоподобным, что ускорение относительно этого важного объекта должно привести к доступным наблюдению следствиям, но ученые, которые стремились изгнать из физики метафизические и теологические доказательства, не хотели признать этот метод объяснения эффектов вращения и ускорения. В 1872 году Эрнст Мах опубликовал критический анализ ньютоновской механики, в котором он подчеркнул, что наши эксперименты с центробежными и ко- риолисовыми силами, вызываемыми «вращением Земли», фактически показывают, что эти эффекты определяются угловой скоростью со нашей Земли относительно системы фиксированных звезд (Млечный Путь) и что они не вынуждают нас вводить понятие вращения относительно пустого, или «абсолютного пространства».

Короче говоря, Мах предложил переформулировать ньютоновские законы движения, заменив «аосо- лютное пространство», или «чувствилище бога», си- схемой созвездий или звезд, рассматривая эту систему как жесткую систему отсчета. Тогда закон инерции гласил бы, что тело, на которое не действует никакая сила, будет двигаться по прямой линии с постоянной скоростью относительно некоторых фиксированных звезд. Если, с другой стороны, система вращается, как наша Земля, то вращение относительно фиксированных звезд будет вызывать в системе отсчета, с ней связанной, появление центробежных сил и кориолисовых сил. Вращение плоскости маятника Фуко приписывалось бы, например, вращению системы фиксированных звезд вокруг Земли. Поскольку, согласно ньютоновской теории движения планет, силы, действующие со стороны звезд на нашу Землю, пренебрежимо малы и, более того, не имеют направления центробежной силы, постольку предложение Маха сводится к следующей гипотезе: фиксированные звезды оказывают на материальные тела на нашей Земле влияние, которое не может быть объяснено с помощью ньютоновского закона тяготения. Это предположение в то время казалось весьма смелым и даже абсурдным. Великий немецкий физик Макс Планк, создатель самой революционной гипотезы XX века, решительно отверг предложенную Махом формулировку ньютоновской механики. Он определенно одобрял теорию относительности Эйнштейна, но рассматривал теорию Маха, согласно которой вращение плоскости маятника Фуко происходит благодаря действию, исходящему от звезд, как фантастическое утверждение, имеющее свой источник в теории познания Маха. Планк рассматривал маховскую теорию маятника Фуко как явное доказательство абсурдности его философии

Однако Эйнштейн предпринял новый анализ ньютоновской механики, который в конце концов оправдал переформулировку Маха. В то время как в традиционных изложениях поле тяготения рассматрива-

1 Планк опубликовал его доказательство в статье «On Mach's Theory of Physical Knowledge», «Physikalische Zeitschrift», 1910, Vol. 11, p. 1186 и далее.

лось как только одно из силовых полей, для которых справедливы ньютоновские законы, Эйнштейн указал, что движение в поле тяготения во многих отношениях отлично от движения в электромагнитном и других полях и что, в частности, движение в поле тяготения аналогично движениям относительно ускоренных или вращающихся систем. Эйнштейн начал с «однородного» поля тяготения, где силы имеют повсюду одно и то же направление и величину. Эта ситуация с некоторым приближением имеет место в каждой жилой комнате или лаборатории. Со времен Галилея известно, что масса т падает вниз всюду с одним и тем же ускорением g, какова бы ни была величина массы т. Из общей ньютоновской формулы a ~f\m следует, что ускорение обратно пропорционально величине массы. Если же ускорение независимо от массы, то мы должны считать, что сила/пропорциональна массе; это значит, что/^/я^а следовательно, a=fjm~mg!m = g.В любом другом поле сила/ определяется этим полем и не зависит от массы, на которую она действует, а в поле тяготения сила пропорциональна массе т и вызывает поэтому ускорение а, которое не зависит от массы.

Ввиду этого в однородном поле тяготения закон движения является чисто геометрическим.

Если, наконец, система вращается, то масса будет описывать траектории, определяемые «центробежными силами». Во всяком случае, если не действует никакая сила, то геометрическая форма траектории определяется ускорением этой системы, причем масса движущегося тела роли не играет. Отсюда видно, что поведение массы относительно ускоренной системы, если не действует никакая сила, вполне аналогично поведению массы относительно инерциальной системы под воздействием поля тяготения. Исходя из рассмотрения подобного рода случаев Эйнштейн выдвинул свой общий принцип эквивалентности. Он гласит, что всякое движение относительно ускоренной системы (в самом широком смысле этого слова) может быть интерпретировано как движение относительно инерциальной системы под влиянием некоторого поля тяготения.

Таким образом, на основе этого принципа увязываются две проблемы: общая теория движения в поле тяготения и общая теория движения относительно системы F\ которая не является инерциальной. Теория, которая предлагается для решения этих проблем, называется общей теорией относительностиона является также и общей теорией тяготения. В «специальной» теории относительности скорость системы не могла быть определена из наблюдения физических явлений, происходящих в этой системе. В «общей» теории относительности ускорение или скорость вращения тоже не могут быть вычислены. Ибо, согласно принципу эквивалентности, каждое явление, которое может быть обусловлено ускорением системы, может также быть обусловлено и некоторым полем тяготения. Если мы наблюдаем проявления центробежной силы, например сплющивание вращающейся жидкости, то мы с одинаковым успехом можем сказать, что она вращается относительно инерциальной системы или что она находится в покое в инерциальной си-

1 В 1915 году Эйнштейн изложил в «Berichte der Preusisscher Akademie» в окончательном виде общую теорию относительности. Он ясно осознавал, что силы Маха,, исходящие от вращающейся системы фиксированных звезд, действительно являются силами тяготения.

стеме и сплющивается под воздействием силы тяготе* ния вращающейся сферы скопления звезд.

Согласно ньютоновской механике и «специальной» теории относительности Эйнштейна, скорость системы F' относительно F не влияет на механические и оптические явления в системе FЭто положение вещей часто выражают следующим образом: «не существует абсолютной скорости» или «всякая скорость относительна». Согласно общей теории относительности Эйнштейна, вращение или ускорение системы Fr не может быть определено на основе явлений, происходящих в системе F\ Это положение часто формулируется таким образом: «не существует абсолютного ускорения или абсолютного вращения». Этот способ выражения аналогичен некоторым заимствованным из повседневной жизни, таким, как «не бывает трехголовых телят». Подобными утверждениями теория относительности, как может показаться, отрицает существование некоторых «сущностей», обедняет наш мир и делает утверждения физической науки более неопределенными и менее непосредственными. На самом же деле такое утверждение, как «не существует абсолютного вращения», обозначает только то, что термин «абсолютное вращение» нельзя так легко применять в рассуждениях, которые имеют целью дать простую формулировку законов физики. Этот момент особенно важен для понимания «философских» рассуждений. Часто приходится сталкиваться с утверждениями, вроде «душа существует», или «материя не существует», или «не существует свободы воли», которые все имеют синтаксическую форму выражения «не существует трехголовых телят». Если мы поймем подлинный физический смысл выражения «не существует абсолютной скорости» или «абсолютного вращения», который в них вкладывается теорией относительности, то мы сможем понять также и то, как понимать смысл философских утверждений о материи и душе. Смысл утверждений о сознании, или душе, недавно был исследован и ясно изложен оксфордским философом Гилбертом Райлом.