• 5

Принцип относительности как фундаментальная симметрия

Предположив, что принцип относительности есть отражение некоторой

фундаментальной симметрии, мы с необходимостью приходим к вопросу

об эмпирическом статусе такой симметрии. Анализ этого вопроса осо-

бенно важен в контексте обсуждения интерпретации принципа относи-

тельности в РСТО. Для того чтобы показать всю исключительность поня-

тия «инвариантный покой» и связанных с ним свойств релятивистского

эфира, вновь обратимся к Галилею. Отметим, что, говоря об относитель-

ности результатов наблюдений за ходом явлений «на корабле» и «на бе-

регу», Галилей говорит о существовании единой пространственно-

временной симметрии, связывающей фактически две системы отсчета,

причем он опирается (заранее предполагает) на тот факт, что «неподвиж-

ную» и «движущуюся» системы отсчета можно эффективно выделить

или отличить одну от другой. Приведем ряд предварительных замечаний

относительно понятия симметрии, ее преобразования и эмпирического

статуса.

Понятие симметрии (мы имеем в виду, конечно, динамические сим-

метрии движущихся равномерно или покоящихся относительно друг дру-

га систем отсчета) определяется относительно законов движения. По-

скольку сами законы выражаются в виде связей зависимых и независи-

мых переменных, изменение переменных, сохраняющее вид законов, яв-

ляется преобразованием симметрии. Вопрос, который нас интересует в

большей степени, – эмпирический статус таких преобразований симмет-

рии. Отметим, что Галилей рассматривал одновременно и физически

«выполнимую» и непосредственно наблюдаемую симметрию, что имеет

место далеко не всегда. У Галилея преобразование симметрии фиксиру-

ется с помощью двух «эмпирически различных» состояний: корабль по-

коится и корабль равномерно движется. Симметрия наблюдается эмпири-

чески как указание на то, что относительно кабины корабля явления

внутри не позволяют нам определить, стоим мы или движемся, находим-

ся мы в одной системе отсчета или в другой. Таким образом, симметрия

является непосредственно эмпирически наблюдаемой, если существует

возможность эффективно развести две системы отсчета: «подвижную» и

«неподвижную». Причем она необязательно должна быть физически реа-

лизуема на практике, мы должны просто иметь возможность сравнить два

эмпирически различных состояния: «подвижное» и «неподвижное» – по

крайней мере, теоретически (что и делает, например, Эйнштейн, когда

использует мысленный эксперимент).

Еще раз, уже у Галилея, мы видим, что регистрация симметрии требу-

ет двух наблюдений, более того, наблюдение симметрииэто всегда ука-

зание на неизменившуюся систему (неподвижный корабль) и на изме-

нившуюся (корабль движется). Другими словами, еще Галилей полагал,

что сначала мы фиксируем изменение (корабль движется вдоль берега), а

затем фиксируем симметрию, замечая, что в изменяющейся системе от-

счета симметрия сохраняется. Таким образом, мы приходим к выводу, что

наблюдение симметрии требует как минимум двух компонентов: во-

первых, мы наблюдем, что какое-либо (данное) преобразование происхо-

дит (корабль движется вдоль берега), во-вторых_, мы должны указать, что

данное инвариантное свойство сохраняется. По мнению Катерины Брэ-

динг, симметрия является эмпирически наблюдаемой, если выполняются

два условия: во-первых, условие трансформации: мы должны различать

«движущуюся» и «неподвижную» системы, во-вторых, условие симмет-

рии: внутри этих систем физика «остается неизменной», т. е. сохраняется

[Brading, Brown, 2004. Р. 646].

Естественно, понятие «наблюдаемости» симметрии в таком понима-

нии достаточно тонко. Все сводится к тому, насколько эффективно удаст-

ся зафиксировать две различные системы отсчета, что, однако, нетриви-

ально. Во-первых, это потребует предположения, что мы имеем возмож-

ность взаимодействовать между «движущейся» и «неподвижной» сис-

темами, для того чтобы фиксировать (внешне) то, что они действительно

качественно различны. У Галилея мы просто видим, что корабль движет-

ся, в ОТО Эйнштейн заранее делает предположение о двух различных

сценариях (на тело не действует сила тяжести или тело движется равно-

ускоренно). Во-вторых, мы должны указать (представить), как физически

происходит преобразование симметрии, т. е. указать две системы отсчета,

начальные условия для которых различаются именно в силу нарушения

симметрии. В данном случае выбрать одну систему отсчета и «заставить»

ее двигаться, например, равномерно или ускоренноэто не достаточно

веское основание для указания на сохранение или нарушение симметрии.

Возвращаясь к проблемам интерпретации принципа относительности

в рамках РСТО, необходимо отметить, что, на наш взгляд, любые попыт-

ки обнаружения «непосредственно эмпирически наблюдаемой» симмет-

рии искомого вида обречены на провал. Данное обстоятельство показы-

вает, насколько существенно РСТО отличается от любой известной нам

ранее модели. Свойство абсолютного инвариантного покоя не позволяет

нам эффективно выбрать какую-либо систему отсчета в релятивистском

эфире: любая выбранная система будет сопутствующей, т. е. нарушится

условие трансформации.

Однако можно говорить не только о непосредственно эмпирически

наблюдаемой симметрии, но и о косвенно наблюдаемой симметрии. Кос-

венная наблюдаемость симметрии является наблюдением следствий оп-

ределенных свойств законов физики, которые каким-либо образом связа-

ны с их симметриями. Косвенно наблюдаемая симметрия не зависит от

выполнения условий трансформации или симметрии (см. выше), она за-

висит скорее от различных «общетеоретических» соображений, таких как

выполнение антропного принципа или ћcG-принципа, абдуктивных за-

ключений, что имеющиеся эмпирические данные являются следствием

сохранения (нарушения) симметрии и т. д.

В § 4.4 показано, что кинематическое свойство инвариантного покоя

релятивистского эфира (пространства РСТО) Vmax 0 может являться

свойством локальной пространственно-временной симметрии. Что (какое

свойство) является косвенно наблюдаемым следствием такой локальной

симметрии? Естественно, можно рассчитывать лишь на то, что такая ло-

кальная симметрия будет обнаружена только косвенно: нужно найти

следствие симметрии, которое на нее укажет.

Зададимся более общим вопросом: что вообще можно считать «эмпи-

рическим» следствием предположения (гипотезы) о существовании реля-

тивистского эфира? По мнению В. В. Корухова,

в таком инвариантно покоящемся в пространстве относительно инер-

циальных систем эфире, который играет роль «светоносной среды»,

всегда оказывается справедливым принцип постоянства скорости све-

та. Тогда и принцип инвариантности движения света относительно

любого инерциального наблюдателя является, аналогично принципу

относительности, следствием инвариантности покоя эфира относи-

тельно тех же инерциальных наблюдателей [Корухов, 2002. С. 87].

Таким образом, фактически утверждается, что сами принципы СТО яв-

ляются свойствами существования этой гипотетической среды или про-

странства РСТО. В § 3.4 указано, что кинематическое свойство инвари-

антного покоя

является той альтернативой, которая не была должным образом рас-

смотрена в свое время при анализе всех возможных кинематических

условий существования эфира. Действительно, при введении эфира,

пространственно покоящегося относительно любой инерциальной сис-

темы отсчета, законы, описывающие явления природы, не будут нахо-

диться в зависимости от состояния движения, поскольку понятия рав-

номерного и прямолинейного движения относительно такого эфира не

существует. При таких и только при таких условиях, накладываемых

на среду, может выполняться принцип относительности, подтвержден-

ный многолетней практикой. Более того, сам принцип относительно-

сти является прямым проявлением свойства инвариантного покоя сре-

ды [Там же. С. 86].

Другое «эмпирическое» следствие менее очевидно, но более интересно:

Невозможность обнаружения эфира с помощью равномерного движе-

ния должна быть с необходимостью связана с необычным уравнением

состояния этой среды. Общая теория относительности рассматривает

такую среду [Глинер, 1965а], уравнение состояния которой: P e

( P – давление, e – плотность энергии) – позволяет интерпретировать

ее как «макроскопически обладающую свойствами вакуума» [Глинер,

1965б]. Именно в такой среде любая инерциальная система отсчета яв-

ляется сопутствующей, в том смысле, что нет относительного движе-

ния эфира и вещественного объекта, связанного с этой инерциальной

системой [Корухов, 2002. С. 87].

Таким образом, Э. Б. Глинером получено уравнение состояния среды, для

которой внутреннее давление отрицательно и по абсолютной величине

равно плотности энергии. Более того, Л. Э. Гуревич и А. Д. Чернин ука-

зывают, что

при такой и только при такой связи между давлением и плотностью

среда не создает «встречного ветра», как бы мы ни перемещались в

ней [Гуревич, Чернин, 1987. С. 183].

В работе В. В. Корухова «Фундаментальные постоянные и структура

пространства-времени» приведены дополнительные соображения относи-

тельно обсуждаемого уравнения состояния [Корухов, 2002. С. 88–92].

Глинер назвал такую среду вакуумоподобной, которая «по своим механи-

ческим свойствам существенно (качественно) отличается от других из-

вестных состоянийвещества и поля» [Глинер, 1970].

На наш взгляд, последний пример может со временем действительно

обрести эмпирическое содержание или трактовку, подкрепленную кон-

кретными наблюдениями, а не только оставаться потенциальным «эмпи-

рическим» следствием гипотезы, подтверждение которого будет свиде-

тельствовать в ее пользу. Одна из проблем современной космологии

расширение Вселенной, в частности, инфляционные модели предсказы-

вают наличие в прошлом Вселенной фаз, которые сопровождались «рас-

талкиванием» вещества _(пространства), а не только его динамическим

расширением, иногда даже говорят о наличии мистической темной энер-

гии, ответственной за это «расталкивание» [Дымникова, 1986]. Можно

предположить, что подобное «расталкивание» является простым следст-

вием специфического уравнения состояния релятивистского эфира

уравнения состояния с отрицательным давлением. Таким образом, про-

блема того, «в чем» и «почему» расширяется Вселенная, получает свое

элегантное решение: Вселенная расширяется, потому что «находится

внутри» релятивистского эфира (что естественно, так как это более фун-

даментальный уровень материи), обладающего характерным уравнением

состояния. Конечно, говорить о полной взаимосвязи модели пространства

РСТО и современных космологических теорий пока рано, РСТО фактиче-

ски еще не преодолела «статус» умозрительной гипотезы, однако воз-

можно, что данное замечание в дальнейшем будет косвенно подтвержде-

но в ходе развития научного знания или послужит необходимой эвристи-

кой развития самой РСТО.

Итак, на наш взгляд, приведенные два примера с некоторыми допуще-

ниями можно считать косвенными свидетельствами в пользу РСТО. Со-

ответственно можно говорить о косвенном подтверждении локальной

пространственно-временной симметрии, связанной со свойством инвари-

антного покоя релятивистского эфира относительно инерциального веще-

ственного наблюдателя (Vmax 0 ). В итоге нам осталось лишь проинтер-

претировать понятие ИСО для пространства РСТО. Все приведенные

выше рассуждения послужат необходимым фоном для проведения мыс-

ленного эксперимента, который позволит наглядно представить реализа-

цию принципа относительности в рамках РСТО. Мы привели ряд аргу-

ментов в пользу «обнаружения» инвариантного покоя, они в полной мере

сравнимы (аналогичны или, по крайней мере, позиционируются как), на-

пример, с рассуждениями Галилея о движущемся и неподвижном корабле

или с рассуждениями Эйнштейна об эквивалентности равноускоренной и

неподвижной, но находящейся «под действием постоянной силы» систем

отсчета. Теперь «поместим» свойство инвариантного покоя в контекст

принципа относительности в его изначальной галилеевской трактовке и

попытаемся наметить новую интерпретацию этого принципа в рамках

РСТО.

Зададимся вопросом, о классе эквивалентности каких ИСО может ид-

ти речь в РСТО? Правомерно ли вообще ставить вопрос об ИСО в рамках

РСТО? По-видимому, ответить на эти вопросы еще только предстоит.

Однако можно привести следующее замечание. Свойство инвариантного

покоя запрещает нам рассматривать движение относительно релятивист-

ского эфира. Для каждого вещественного наблюдателя релятивистский

эфир «проявляется» в покое, этоаксиома, относительное движение не

рассматривается. Например, нельзя говорить об относительности движе-

ния самолета и эфира, можно говорить только об относительности дви-

жения самолета и, например, наблюдателя на земле. Релятивистский эфир

покоится и относительно человека и относительно самолета, различные

состояния движения человека и самолета «неразличимы» относительно

эфира [Корухов, 2002]. Моделью пространства, описывающей такие не-

обычные кинематические свойства, будет модель пространства РСТО.

Если вновь предположить, что свойства пространств Евклида, Минков-

ского _и Римана в совокупности с принципом относительности определя-

ют механику (квази)точечных тел в механике Ньютона, СТО и отчасти

ОТО [Розенталь, 1990] (например, в рамках механики Ньютона уравнения

движения однозначно определяются свойствами пространства Евклида

однородностью и изотропностью), то основным вопросом будет не «но-

вое» определение ИСО, а вопрос о том, с помощью каких средств описы-

вается пространство РСТО, какова геометрия РСТО.

Поскольку движения относительно релятивистского эфира нет (соот-

ветственно затруднено «непосредственное» введение ИСО), фактически

математическая (геометрическая) модель РСТО должна обладать одним

уникальным свойством: в каждой точке пространства должно «восста-

навливаться» бесконечно много своих, соответствующих модели РСТО,

характерных ИСО. Еще раз. Если мы хотим «соответствовать духу» прин-

ципа относительности, который привнес еще Галилей, то, говоря о

пространстве РСТО, мы должны говорить об особого рода эквивалентно-

сти класса предполагаемых ИСО соответствующего вида, причем в каж-

дой точке пространства таких ИСО должно быть бесконечно много. При-

мечательно, что аналогичные соображения используются в рамках теории

струн при анализе возможности существования новой нетривиальной

симметрии (дуальности), связывающей между собой различные варианты

теории струн [Маршаков, 2002]. Возможно, это всего лишь совпадение

или аналогия, такая же, как, например, та, которая связывает характерное

уравнение состояния релятивистского эфира и возможное объяснение

расширения Вселенной (см. выше). В любом случае мы не можем пока

достаточно обоснованно утверждать, что геометрия пространства РСТО

это геометрия теории струн. Однако, если это предположить, то можно

предложить следующую интерпретацию принципа относительности для

РСТО: все ИСО, «восстанавливаемые» в каждой точке континуума, яв-

ляются эквивалентными и связаны между собой дуальной симметрией.

Этот принцип относительности, а также постулат инвариантного покоя

релятивистского эфира относительно любого вещественного наблюдателя

могут являться одними из возможных теоретических оснований для по-

строения РСТО.

В заключение кратко остановимся на том, что было показано. Итак,

мы начали это дополнение с формулировки принципа относительности,

предложенного Галилеем еще в середине XVII в. Эта формулировка на-

шла свое конкретно-научное содержание уже в рамках механики Ньюто-

на. Впоследствии эвристический потенциал принципа относительности

позволил расширить его и на СТО и на ОТО. Во всех случаях принцип

относительности играл также ограничивающую роль, оказывая опреде-

ленное влияние на выбор соответствующих математических (геометриче-

ских) моделей. На наш взгляд, эволюция принципа относительности на

этом не закончена, скорее всего, он найдет соответствующую интерпре-

тацию (отражение) и в рамках будущей РСТО. Фактически нам хотелось

бы подчеркнуть следующее: о принципе относительности (на всех этапах

его эволюции, если таковые существуют) можно говорить как о тандеме,

само требование относительности (сохранения) выступает в качестве оп-

ределенного вида симметрии, а дополнительные физические принципы

(эквивалентность ИСО, принцип эквивалентности Эйнштейна, инвари-

антный покой) определенным образом стремятся «восстановить» эту

симметрию, что находит отражение в соответствующих математических

моделях. Последнее обстоятельство и является реализацией принципа

относительности в его методологическом значении относительно по-

строения новой модели пространства-времени.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я