Философское значение теории относительности

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

Основная часть

1. Философия пространственно-временных отношений в теории относительности……………………………………………………...4

Заключение…………………………………………………………………….15

Список литературы…………………………………………………………....17

Введение

Философское значение теории относительности признается почти всеми. Это обусловлено  прежде всего ее непосредственным отношением к ряду философских категорий: материя  и движение, пространство и время  и др. Разногласия начинаются с  вопроса о том, подкрепляет или отрицает эта теория определенные философские концепции или какие видоизменения она в них вносит.

Зададим следующий  вопрос: все ли в мире относительно? Ответ будет следующим: в материальном мире все относительно, кроме самого мира, который не находится во внешнем отношении с чем бы то ни было, представляя, однако, неисчерпаемое многообразие внутренних отношений.

В данном случае относительность изучается, как  правило, не в качестве всеобщего  универсального свойства (такая задача, да и то отчасти, стоит только перед философией), а в виде совершенно определенных отношений между определенными вещами или же элементами, организованными в целостную систему. В таком случае об относительности говорят, во-первых, в смысле конкретных отношений, а во-вторых, в смысле относимости (отнесенности) определенных свойств, характеристик, параметров и т.д. к одному или всем элементам, находящихся в данном отношении.

“В  наше время физик вынужден заниматься философскими проблемами в гораздо  большей степени, чем это приходилось делать физикам предыдущих поколений. К этому физиков вынуждают трудности их собственной науки”

А. Эйнштейн

Основная часть

1. Философия пространственно-временных отношений

в теории относительности

При познании объективных  природных отношений необходимо учитывать ряд моментов. Прежде всего, нужно иметь в виду неисчерпаемость тех отношений, в которые может вступать любая материальная вещь. В ходе познания неизбежно приходится отвлекаться от бесконечного многообразия этих отношений, вычленяя отдельные из них. Далее. Отношения носят конкретный характер. Принцип конкретности истины позволяет четко определить, о каких отношениях идет речь в каждом отдельном случае. "Отношений вообще" не существует. Это либо материальные, либо идеальные отношения. В свою очередь они подразделяются на : 1. изолированные и взаимосвязанные; 2. внешние и внутренние; 3. двучленные и многочленные; 4. прерывные и непрерывные и т.д.

Наконец, об отношениях и результатах конкретных отношений  судят по тем вещам и элементам, которые в данном отношении находятся. Отношения, при котором объекты вступают во взаимодействие, является уже связью. Понятия "отношение" и "связь" нередко употребляются как синонимы, для чего имеются определенные объективные основания. Связь - это всегда отношение, но не всякое отношение реализуется в виде связи. Связь возникает в том случае, если действие определенного объекта приводит к ответному действию со стороны других объектов. В отличие от связи "отношение" - более общее понятие и означает сосуществование конечных материальных объектов, событий, процессов.

Естественно, что  абстрактных отношений, "отношений  вообще" (т.е. ни к чему ни относящихся) в материальной действительности не существует.

Необходимое условие  конкретного понимания отношений - различение отношений внешних и внутренних. Существующее между ними различие имеет исключительно важное значение, т.к. закономерности, присущие внешним отношениям не тождественны закономерностям, характеризующим отношения внутренние. Если элементы, образующие внешние, изолированные отношения, не зависят друг от друга, то элементы внутренних отношений связаны между собой в рамках определенной системы. Однако любые внешние отношения могут считаться таковыми только до известного предела: всегда имеется определенная система, по отношению к которой они выступают уже как внутренние. Предельно общей системой для всех объективно-реальных отношений является материальный мир, как единое целое. В виде самостоятельных внешних отношений они способны функционировать лишь до тех пор, пока не подвергаются воздействию со стороны более общей системы. И, наконец, еще один вывод, вытекающий из диалектического понимания взаимосвязи между внешними и внутренними отношениями: если элементы, находящиеся во внешнем отношении друг к другу, начинают взаимодействовать, то они образуют целостную систему и вступают во внутренние отношения.

Таковы некоторые  из особенностей, присущих материальным отношениям, а также их специфическому преломлению в форме идеальных  мыслительных отношений.

Существо проблемы состоит в следующем: представляют ли отношения нечто единообразное и настолько очевидно, что над ними вовсе не стоит ломать голову, или же, напротив, им присущи характерные особенности, и, как все в материальном мире, отношения подчиняются определенным закономерностям.

Ведь зачастую специфика и многообразие отношений  нивелируются; даже если и делается различие между внешними и внутренними  отношениями, то закономерности, отличающие их друг от друга, отождествляются.

Случается, что  один из видов отношений возводится в ранг универсальности, абсолютизируется, а свойства, характеризующие конкретную определенность отношений (т.е. их конкретное основание) переносятся на все многообразие отношений, составляющих данное явление. В действительности же отношения одного типа далеко не в каждом случае оказывают непосредственное влияние на отношения другого типа, отличного от первого по конкретному основанию. Подобная абсолютизация и нивелировка заходят еще дальше: отношения, представляющие собой сосуществование определенных элементов, отождествляются с самостоятельным существованием самих элементов или образуемой ими системы. Излагаемый здесь подход позволяет понятьдействительную суть многообразных объективных отношений, их роль в процессе развития, а также предохраняет от их теоретического гипертрофирования или приписывания не свойственных им функций.

Важную роль играет при  этом принцип материальности. Этот принцип указывает на материальную основу объективных отношений и  помогает установить конкретный характер данных отношений.

Большинство физических закономерностей  получает строгое математическое описание и выражается в виде разнообразных  формул. Любая такая формула сама по себе есть определенное математическое соотношение, элементы которого находятся  во внешней количественной взаимозависимости. Подобная структура формулы - результат знакового выражения, в то время как сами объективные отношения, описываемые формулами, могут быть не только внешними, но и внутренними.

В свою очередь, проекция абстрактно-математического  описания на природную действительность помогает точно установить конкретный характер объективных отношений, отображенных в той или иной формуле.

Если исключить принцип  материальности из познания природных  отношений, то они рискуют превратиться в пустые абстракции, а операции с ними - в акт произвола. Вот почему вопрос о характере и закономерностях объективных отношений представляется исключительно важным.

Переходя к  специальной теории относительности (СТО), выделим следующие моменты. Первый постулат Эйнштейна констатирует независимость законов природы от движения инерциальных систем отсчета (ИСО), т.е. закономерности механического перемещения изолируются от всех остальных законов природы и отношения между теми и другими описываются как чисто внешние. Кроме того, в СТО описывается не пространство и время "вообще" (физическое, биологическое, социальное и т.п), а определенные пространственно-временные характеристики конкретных физических событий. Как, например, не существует человека “вообще”, но существуют конкретные люди, так не существует и времени “вообще”, но есть конкретные временные процессы. Поэтому возникает вопрос: насколько оправдан в теории относительности указанный общий подход к понятиям “пространство” и “время” и как в действительности связаны пространственно-временные характеристики конкретных явлений, описываемых СТО и ОТО, с пространственно-временными параметрами других явлений? Для начала в качестве примера рассмотрим второй закон Ньютона:

F = m (DV / Dt ) = ma………………… (1)

Эта формула  раскрывает связь между изменением скорости DV , инертной массой m и силой, действующей в течение определенного промежутка времени Dt. Несмотря на универсальность данного закона, здесь время D t означает не любое время, а время, связанное с определенными механическими процессами.

Аналогичным образом обстоит  дело и с другими формулами, где  речь идет не об абстрактном времени  “вообще”, а о времени, как характеристике определенных физических процессов. Не составляют исключения и формулы, получаемые из преобразований Лоренца. Например, преобразования Галилея позволяют определять скорость и положение различных ИСО относительно друг друга. В преобразованиях же Лоренца для выполнения той же задачи вводятся дополнительные условия: пространственные величины и временные интервалы вычисляются с учетом закономерностей движения света. Поняв действительный смысл этих преобразований, нетрудно понять и все остальное.

В последующем анализе  наиболее существенным оказывается  тот факт, что инерциальные системы  являются изолированными, т.е. находятся друг с другом во внешнем отношении. Закономерности же объективной относительности таковы, что материальные системы, находящиеся друг с другом во внешнем отношении, не оказывают воздействия друг на друга, на сами системы, на их материальный субстрат и не влияют на внутренние отношения каждой из систем. Это подтверждает и положение о конкретности отношений: как не существует отношения без образующих его элементов, так не существует и отношения без определенного признака, по которому соотносятся эти элементы. Причем изменение отношения по одному признаку не обязательно ведет к изменению отношения по другим признакам.

Это подтверждают и оба принципа, положенные в основу СТО. В обоих случаях констатируется естественный результат внешних  отношений, в которых находятся изолированные инерциальные системы.

Что же дает повод  считать, что в движущейся изолированной  системе отсчета с течением времени  и пространственными отрезками  происходит нечто отличное от ситуации покоя? С одной стороны очевидно, что две ИСО полностью изолированные, а отношения между ними - чисто внешние. Но с другой стороны, формулы свидетельствуют: в движущейся ИСО временные интервалы “растягиваются”, а пространственные длины “укорачиваются”.

О том, что происходит в  движущейся ИСО, позволяют судить математические преобразования. Правда, в случае преобразований Галилея происходит прямое соотнесение инерциальных систем. В случае же преобразований Лоренца такое соотнесение происходит с помощью материального посредника – процесса распространения света. Таким образом, в первом случае имеет место двучленное отношение, а во втором – трехчленное.

Между тем имеется универсальная  закономерность, которую можно сформулировать так: отношение (результат сопоставления) двух материальных элементов (систем) не тождественно отношению трех и более элементов (систем). Именно этот факт порождает те, на первый взгляд, необычные пространственно-временные отношения между двумя ИСО, которые возникают в специальной теории относительности.

Для пояснения сказанного рассмотрим следующий пример. Глаз меньше Солнца и на каком бы расстоянии ни находился наблюдатель, объективное двучленное отношение между глазом и Солнцем (отношение их размеров) остается именно таким. Но вот наблюдатель подносит к глазу ладонь и заслоняет Солнце. Тем самым в отношения включается третий элемент.

 Ясно, что  двучленные отношения не тождественны  трехчленным. Закономерности тех и других можно выразить и математически, не упуская из виду их конкретности и материальности; в противном случае неверное истолкование математических соотношений приведет к выводу, что ладонь по мере приближения к глазу становится больше Солнца. Уже этот элементарный пример показывает, что интерпретация математических соотношений может быть правильной или неправильной и какую из них мы выберем, совсем не очевидно.

Обратимся теперь к известной релятивистской формуле

D t' = D t₀ / (1 - v ² / c ² ) ^{1 / 2} ……………….. (2)

Какую реальную физическую нагрузку несут ее символы? D t₀ относится к условно – покоящейся ИСО; D t' и v - к движущейся ИСО. А к какой из этих двух систем относится скорость света “c” ? Ни к какой ! Процесс распространения электромагнитных колебаний – это самостоятельный элемент объективного трехчленного отношения. Свет есть физическое явление, которому следует приписать совершенно самостоятельное существование. В преобразованиях Галилея соотносятся только два материальных элемента - две ИСО. В преобразованиях же Лоренца таких материальных элементов три: две ИСО и электромагнитное поле. Т.е. в первом случае отношение двухчленное, а во втором - трехчленное.

Данный факт хотя и проясняет ситуацию, но еще  мало что объясняет. Что же происходит во внешне соотнесенных инерциальных системах, одна из которых условно покоится, а другая удаляется от нее равномерно и прямолинейно? Рассмотрим пример из популярной литературы. Вдоль железнодорожного полотна мчится поезд. Из хвоста поезда по направлению движения испущен световой сигнал (первое событие), который затем отражается от зеркала, находящегося в голове поезда, и возвращается обратно в хвост поезда (второе событие). Скорость светового сигнала одинакова как по отношению к поезду, так и по отношению к полотну. Но события, заключающиеся в отправлении и приходе обратно в хвост поезда светового сигнала, происходящие в различных системах отсчета - движущейся и условно покоящейся, не совпадают: они не одновременны.

Подчеркнем, что  формулы, получаемые из преобразований Лоренца, описывают определенные события (конкретный физический процесс) – поведение света в различных ИСО. Обычно не придают должного значения тому факту, что в преобразованиях Лоренца описывается световой сигнал, единый для двух ИСО. И условия, заданные этими преобразованиями, предполагают совместное, триединое рассмотрение движения света относительно как покоящейся, так и движущейся систем отсчета. В рамках преобразований Лоренца это - вопрос коренной, центральный, потому что события, описываемые в системах координат, соотносящихся со световым лучом, оказываются вторичными по отношению к главному событию – движению света, представляя собой, по существу, проекцию светового луча на ту или иную систему координат, в результате чего и появляется возможность проводить соответствующие измерения и вычисления.

Если рассмотреть  конкретное трехэлементное соотношение, а именно движение светового луча параллельно с движением поезда, то окажется, что один и тот же световой луч пробегает разное расстояние в движущейся и неподвижной системах отсчета: в движущееся системе отсчета длина пробега будет короче или "сокращается".

В трехэлементном соотношении

l ' = l ₀ (1 - v ² / c ² ) ^{1 / 2} ………………………(3)

сокращается не длина “вообще”, а длина фиксации, то есть измеренная с помощью конкретного физического явления: поведения света в одной из соотнесенных друг с другом инерциальных систем.

С самим светом, как и с обеими системами отсчета, ничего не произойдет: длина поезда и зафиксированного отрезка полотна  дороги какой была, такой и останется. Но реальная проекция конкретного физического процесса на инерциальные системы будет разной.

Далее. Что же в таком случае означает увеличившийся  временной интервал D t' в (2) в движущейся системе. Единственное: в движущейся системе отсчета свету потребуется больше времени, чтобы покрыть расстояние 2l₀, одинаковое с зафиксированным отрезком покоящейся системы координат. Один и тот же световой сигнал, данный в определенный момент времени из определенного источника затратит различное время для преодоления одного и того же расстояния в различных системах отсчета и в движущейся системе это время будет тем больше, чем выше скорость системы. В поезде, мчащемся сквозь туннель, такими одинаковыми пространственными отрезками (инвариантами) будет расстояние от хвоста поезда к его голове и обратно и соответствующее расстояние в неподвижной системе туннеля (т.е.2l₀). Для преодоления длины мчащегося поезда и возврата в исходную точку свету потребуется больше времени, чем для преодоления такого же расстояния, отмеренного на железнодорожном полотне. Для того, чтобы свет мог достигнуть головы переднего вагона (ни вагоны, ни поезд в целом при этом длины своей не меняют, они просто перемещаются вперед) и вернуться обратно в точку отправления, потребуется дополнительное время. Естественно, что в совокупности данный временной интервал будет превышать время, которое потребовалось для преодоления того же расстояния в неподвижной системе туннеля. При сравнении же результатов измерения окажется, что временной интервал в движущейся системе какбы "растягивается".[1]

Здесь есть одна тонкость. Если свет пущен параллельно  направлению движения, то с точки  зрения наблюдателя, покоящегося на перроне, скорость света по отношению  к движущемуся поезду равна либо c'₁ = c - v , когда луч движется вперед, либо c'₂ = c + v , когда он движется обратно. В итоге совокупная скорость света при движении луча туда и обратно будет равна так называемой "поперечной" скорости света c' = ( c ² - v ² ) ^{1 / 2} (с учетом того, что наблюдаемая длина поезда l' "сокращается") (см [16] с.75-77). Скорость c' не зависит от направления движения. Именно "поперечная" скорость света c' = ( c ² - v ² ) ^{1 / 2} определяет длительность всех временных процессов в движущейся ИСО, если смотреть из условно-неподвижной ИСО. Тогда качественно неизменяемая протяженность поезда (инвариант) будет равна l₀ = c' t' / 2 , где t' - промежуток времени между отправлением и прибытием светового луча обратно в точку отправления (в хвост поезда).

Действительно, промежуток времени t' между отправкой и возвращением светового сигнала в точку отправления относительно наблюдателя на перроне равен

t' = l' / ( c - v ) + l' / ( c+ v )

где l' - длина движущегося поезда в системе отсчета наблюдателя на перроне. Подставляя сюда значение l' = l₀ (1 - v² / c² ), где l₀ = сt₀ / 2 - длина поезда в неподвижной системе отсчета, получим

t' = сt₀ / (c ² - v ²) ^{1 / 2} = t₀ / (1 - v ² / c ² ) ^{1 / 2}

как оно и  должно быть. 

"Поперечная" скорость света c' = ( c ² - v ² ) ^{1 / 2} определяет длительность временного процесса в движущейся ИСО как в поперечном, так и в продольном направлениях.

Распространено  мнение, что эффекты сокращения длин и замедления временных процессов  характерны только для тел, движущихся с около световой скоростью. Однако это далеко не так. Приведем в качестве примера летящий высоко в небе самолет. Его видимые размеры кажутся уменьшенными, а скорость движения (временной процесс) – замедленной. Для пассажиров самолета те же явления на земной поверхности (например, движущиеся автомобили) выглядят аналогичным образом (кто летал на самолете, наверняка помнит то ощущение нереальности при взгляде с большой высоты на ленту автомобильной дороги, когда движущиеся с большой скоростью автомобили кажутся застывшими на одном месте). То есть между наблюдателем на земной поверхности и наблюдателем в самолете существует равноправие, симметрия явлений. Но, в отличие от СТО, в этом примере параметром является не относительная скорость систем отсчета, а взаимное расстояние между ними. Тем не менее структура формул для укороченных длин и растянутых временных интервалов аналогична формулам, получаемым в СТО. Еще пример: размеры и скорость движения звезд кажутся нулевыми. Аналогичные эффекты видит удаленный наблюдателя (когда параметром является не расстояние, а гравитационный потенциал) на горизонте событий черной дыры или условно-покоящийся наблюдатель (когда параметром является относительная скорость) возле светового барьера.

Заключение

Пространство  и время - всеобщие формы бытия  материи. Пространство - протяжённость, сосуществование вещей, время - длительность. На уровне понятий протяжённость и длительность выражаются в абстрагируемых от них признаках - измерениях. Пространство характеризуется двумя измерениями, время одним: оно течёт от прошлого к настоящему и к будущему. Одномерность времени связана, поэтому с однонаправленностью и необратимостью. Пространству свойственна обратимость, движение возможно в прямом и обратном направлении. Пространство и время обладают однородностью, различные точки пространства одинаково тождественны, также и моменты времени. Пространство изотропно, т.е. все направления в пространстве равноценны, одинаковы. Пространство и время - внутренние формы бытия материи, объективные формы (с позиции научного материализма). Пространство и время - две противоположные, взаимосвязанные и взаимодополняющие формы бытия материи.

Сосуществующие  в пространстве вещи, могут сосуществовать во времени и существующие во времени  вещи образуют пространство ... . Любая  из основных форм бытия, таким образом, выступает в качестве условия другого. ... физические представления о пространстве и времени связаны с теорией Эйнштейна. Теория относительности основывается на принципах: - Постоянства скорости света в пустоте. - Относительности. На их основе Эйнштейн разработал теорию физического пространства и времени, где пространство и время зависимы от движения физических тел по мере приближения к скорости света. Эйнштейн открыл свойство пространство и времени - быть объективно различными в различных физических системах. Общая теория относительности ввела представление о взаимосвязи и взаимодополняемости пространства и времени.

Общая теория относительности  исходит из признания тяготения, которое определяет свойства пространства и времени. С позиций общей теории относительности протяжённость и длительность зависят от интенсивности гравитации, чем интенсивнее поле тяготения, тем меньше протяжённость и медленнее течёт время. Общая теория относительности ввела понятие о кривизне пространства.

- Теория относительности подтвердила диалектико-материалистическое понимание пространства и времени, их неразрывные связи друг с другом и материей.

- Теория относительности  дала толчок и материал для  существенного углубления научно  философской концепции пространства, времени, движения и материи.

- В науку  и философию входит понятие  о различных формах пространства  и времени.

Физик может не быть философом, когда теория уже создана и есть готовая  техника для расчета явлений. Тогда легко забыть о философских  началах, потребовавшихся для создания теории, о ее метафизических предпосылках, которые к тому же не доступны никаким наблюдениям. Однако в переломные периоды развития физики, при формировании новой парадигмы философский анализ играет ключевую роль. Только изменив взгляд на мир и средства его познания, физик может по-новому переосмыслить известные факты и вывести науку на более высокий уровень.

Энциклопедия "Физика"

Список литературы 

1. Демин В.Н. Основной принцип материализма, Москва, Политиздат, 2006

2. Климец А.П. Физика и философия. Поиск истины, "Форт", 2010

3.Спасский Б.И. Физика для философов, Москва, Издательство Московского университета, 2003 

4. Александров А.Д. "О философском содержании теории относительности" в сборнике "Эйнштейн и философские проблемы физики ХХ века", Москва, Наука, 2009

5. Трофименко А.П. Теория относительности и астрофизическая реальность, Минск, Наука и техника, 2008

6. Малинин А.Н. Теория относительности в задачах и упражнениях, Книга для учителя, Москва, "Просвещение", 2006