Теория относительности и её влияние на научную мысль

«Теория относительности и её влияние на научную мысль» (англ. The Theory of Relativity and its Influence on Scientific Thought) — публичная научно-популярная речь выдающегося британского астрофизика Артура Стэнли Эддингтона, прочитанная в Шелдонском театре Оксфордского университета в 1922 году. Посвящена специальной и общей теории относительности, её происхождению и доказательствам.

Первый русский перевод вышел в издательстве «Матезис» (Одесса, 1923 г.).

Цитаты

Термины «пространство» и «время» являются не только смутными образными указаниями на безграничную пустоту и вечно катящийся поток, но означают также точную количественную систему отсчёта расстояний и временны́х промежутков. Первым великим открытием Эйнштейна и было указание на то, что существует много систем отсчёта, — много возможных сетей пространства и времени, — совершенно подобных одна другой. Ни одна из них не может быть выделена, как более правильная. Ни одна из сетей не может быть преимущественно перед другой отожествлена с теми лесами, которые служили при сооружении мира. И все же одна из них представляется нам, как действительное пространство и время нашего опыта; и мы отшатываемся от других равноценных сетей, которые кажутся нам искусственными системами, где расстояние и продолжительность перемешаны необыкновенным образом. Где причина этого дурного выбора? Она определяется не какой-либо особенностью сети: она определяется некоторой особенностью в нас — тем фактом, что наше существование связано с определенной планетой и наше движение есть движение этой планеты. Природа представляет бесконечный выбор сетей; мы выбираем одну, в которой мы и наши маленькие земные интересы занимают наиболее выдающееся положение. Наши зловредные геоцентрические навыки проявляются, все еще неподозреваемые, побуждая нас настаивать на этой земной пространственно-временной сети, которая в общем плане природы отнюдь не превосходит другие.

The terms space and time have not only a vague descriptive reference to a boundless void and an ever-rolling stream, but denote an exact quantitative system of reckoning distances and time-intervals. Einstein's first great discovery was that there are many such systems of reckoning—many possible frames of space and time—exactly on all fours with one another. No one of these can be distinguished as more fundamental than the rest; no one frame rather than another can be identified as the scaffolding used in the construction of the world. And yet one of them does present itself to us as being the actual space and time of our experience; and we recoil from the other equivalent frames which seem to us artificial systems in which distance and duration are mixed up in an extraordinary way. What is the cause of this invidious selection? It is not determined by anything distinctive in the frame; it is determined by something distinctive in us—by the fact that our existence is bound to a particular planet and our motion is the motion of that planet. Nature offers an infinite choice of frames; we select the one in which we and our petty terrestrial concerns take the most distinguished position. Our mischievous geocentric outlook has cropped out again unsuspected, persuading us to insist on this terrestrial space-time frame which in the general scheme of nature is in no way superior to other frames.

Проведем по листу бумаги циркулем кривую. Будет ли полученная кривая круг или эллипс? Коперник с своего наблюдательного пункта на солнце объявляет, что, благодаря Фиц-Джеральдову сокращению, ножки циркуля сблизились, когда были повернуты в направлении земного годичного движения; поэтому кривая сплющилась в эллипс. Но здесь, я думаю, мы должны выслушать и Птолемея; он указывает, что с самого возникновения геометрии круги проводились таким именно образом циркулем, и всякий разумный человек понимает, что когда произносится слово „круг“, то имеется в виду именно эта кривая. Одна и та же карандашная линия фактически есть круг в пространстве земного наблюдателя и эллипс в пространстве солнечного наблюдателя. Она в одно и то же время движущийся эллипс и покоющийся круг. Я думаю, что это иллюстрирует, насколько возможно, что́ мы разумеем под относительностью пространства.

Расстояние и продолжительность являются основными понятиями физики; скорость, ускорение, сила, энергия и т. п. все зависит от них; и мы едва-ли можем установить какое-нибудь физическое предложение, которое прямо или косвенно не заключало бы этих понятий. Мы поэтому несомненно всего лучше отметим революционные следствия того, что мы узнали, если укажем, что расстояние и продолжительность и все физические количества, производимые от них, не дают нам чего-либо абсолютного во внешнем мире, но являются относительными количествами, которые меняются, когда мы переходим от одного наблюдателя к другому, обладающему другим движением. Те последствия, которые имело в физике открытие, что ярд не есть неизменный кусок пространства, и что то, что есть ярд для одного наблюдателя может быть восемнадцатью дюймами для другого — это можно сравнить с последствиями открытия в политической экономии, что фунт стерлингов не есть неизменное количество богатства и при некоторых обстоятельствах может в „действительности“ быть семью с половиной шиллингами.

...Оказывается, что мир, общий всем наблюдателям, в котором каждый наблюдатель проводит различную пространственно-временную сеть соответственно его точке зрения, — есть мир четырех измерений. <...> Открытие или лучше сказать переоткрытие мира четырех измерений принадлежит Минковскому. Эйнштейн полностью исследовал соотношения между сетями пространства и времени наблюдателей с различными движениями. Гению Минковского мы обязаны уразумением того, что эти сети суть только системы перегородок, произвольно проведенных в четырехмерном мире, который является общим для всех наблюдателей. Странное заблуждение думать, что четвертое измерение должно быть чем-то лежащим совершенно вне представлений обыкновенного человека и что только математик может быть посвящен в его тайны. <...> Мир четырех измерений, о котором мы теперь говорим, близко знаком всякому. Очевидно для каждого, — даже для математика, — что мир телесных и прочных предметов имеет три измерения и не больше; что предметы размещены в тройном порядке, который для всякого отдельного индивидуума может быть разложен на вправо и влево, вперед и назад, вверх и вниз. Но не менее очевидно для всякого, что мир событий — четырехмерен; что события размещены в четверном порядке, который в опыте отдельного индивидуума разлагается на вправо и влево, взад и вперед, вверх и вниз и раньше и позже. Предметом нашего изучения служит внешний мир, который является миром событий, общим для всех наблюдателей, но рисующимся для них в их родной сети пространства и времени; повседневный опыт делает очевидным, что этот абсолютный мир содержит четыре порядка.

Когда мы имеем дело с четырехмерным миром, мы не можем больше отличать геометрию от механики. Они становятся одним и тем же предметом, и если мы вполне овладели геометрией мира событий, мы неизбежно изучили его механику. Вот почему Эйнштейн, изучая геометрию мира и открыв, что она именно не-Евклидова, нашел, что он тем самым изучил механическую силу притяжения. И когда он решил, какую именно из возможных различных не-Евклидовых геометрий следует выбрать, и установил таким образом законы новой геометрии, это самое решение определило закон тяготения — закон приближающийся к тому, который предложил Ньютон, но не тожественный с ним. <...> Каким поистине замечательным образом Эйнштейнова поправка закона тяготения была подтверждена и аномальным вековым изменением орбиты планеты Меркурий и наблюдавшимся смещением звезд вблизи солнца во время полного солнечного затмения 1919 г. Я должен был бы, однако, напомнить Вам, что в этом последнем наблюдении суть расхождения между теорией Ньютона и Эйнштейна, заключалась не в существовании отклонения световых лучей, проходящих близ солнца, но в размере этого отклонения. Эйнштейн предсказывал двойное отклонение сравнительно с возможным по теории Ньютона. Бо̀льшее отклонение было количественно подтверждено при наблюдениях над затмением. Главное творение Эйнштейна — это новый закон тяготения, а не новое объяснение его. Он приписывает притяжение массивных тел кривизне мира в окружающей их области и этим бросает свет на всю проблему.

Эйнштейнов закон тяготения обыкновенно выражается в виде системы десяти довольно длинных дифференциальных уравнений; эти уравнения в точности эквивалентны геометрическому утверждению, что „радиус сферической кривизны всякого 3-хмерного сечения 4-хмерного мира есть всеобщая постоянная длина, одинаковая для всех точек мира и для всех направлений сечения“. Закон поэтому содержит утверждение, что мир обладает некоторым характером однородности и изотропии (конечно, не полной изотропией и однородностью сферы).

...Современный переворот научной мысли следует, как естественный результат великих революций прежних эпох в истории науки. Специальная теория относительности Эйнштейна, которая разъясняет неопределенность сети пространства и времени, венчает дело Коперника, впервые заставившего нас отказаться от нашей привязанности к геоцентрическому взгляду на природу; общая теория относительности Эйнштейна, которая вскрывает кривизну или не-Евклидову геометрию пространства и времени, развивает дальше зачаточные мысли некоторых астрономов прежних времен, впервые усмотревших возможность того, что их существование покоится на чем-то не плоском. Эти прежние революции являются еще и теперь для нас в детстве источником недоумений, которые мы скоро переростаем; и наступит время, когда изумительные открытия Эйнштейна подобным же образом станут общим местом для образованного человека.

...The present revolution of scientific thought follows in natural sequence on the great revolutions at earlier epochs in the history of science. Einstein's special theory of relativity, which explains the indeterminateness of the frame of space and time, crowns the work of Copernicus who first led us to give up our insistence on a geocentric outlook on nature; Einstein's general theory of relativity, which reveals the curvature or non-Euclidean geometry of space and time, carries forward the rudimentary thought of those earlier astronomers who first contemplated the possibility that their existence lay on something which was not flat. These earlier revolutions are still a source of perplexity in childhood, which we soon outgrow; and a time will come when Einstein's amazing revelations have likewise sunk into the commonplaces of educated thought.

Перевод

• Эддингтон А. С. Теория относительности и ее влияние на научную мысль / Перевел с английск. М. З. Кайнер под ред проф. И. Ю. Тимченко. — Одесса: MATHESIS, 1923. — 56 с.