Наблюдатель и специальная теория относительности

Идеалистические интерпретации роли наблюдателя в специальной теории относительности сводятся к утверждению, что относительность пространства и времени лишена объективного характера и зависит от познающего субъекта. Мы выделим три разновидности таких интерпретаций. Коротко их суть раскрывают следующие три тезиса: относительность пространства и времени есть относительность не к объективным условиям, а к наблюдателю; релятивистские эффекты не объективны, но зависят не просто от наблюдателя, а от осуществляемых им измерительных процедур, которые и являются источником этих эффектов; релятивистские эффекты представляют собой результат конвенций, которые обусловлены не объективными, а субъективными факторами. Все эти интерпретации роли наблюдателя ведут к отрицанию объективной истинности утверждений специальной теории относительности, если под объективной истиной понимать не просто общезначимость, а соответствие структуре объективного мира. Рассмотрим каждую из этих интерпретаций в отдельности.

Сторонники первой идеалистической интерпретации специальной теории относительности считают, что за эффекты релятивистской кинематики ответствен наблюдатель. Они рассуждают примерно так. Согласно специальной теории относительности, пространственные и временные характеристики физических объектов относительны. Их относительность означает зависимость от наблюдателя. Так, с точки зрения одного наблюдателя, покоящегося в некоторой системе отсчета, длины твердых стержней и длительность времени, отсчитываемого часами, будут иметь одни значения; с точки же зрения

другого наблюдателя, движущегося относительно первого равномерно и прямолинейно, эти же пространственные и временные характеристики будут совершенно иными.

Такого рода взгляды на специальную теорию относительности были весьма популярны в идеалистической философии в 20—30-е годы. Встречаются они и сегодня (Г. Дингл). Причем нередко в их поддержку выступали крупные ученые, добившиеся выдающихся результатов в специальных науках'. Нам хотелось бы подчеркнуть, что эта идеалистическая интерпретация специальной теории относительности направлена не только против материалистического учения о пространстве и времени как объективных формах существования материи, но и против учения об объективной истине. Она, по существу, отвергает значение специальной теории относительности как объективного описания пространственно-временных отношений материального мира.

В основе изложенной интерпретации лежит не только неудачная терминология, отождествляющая понятия «наблюдатель» и «система отсчета». Она имеет корни и в некоторых других обстоятельствах, обусловливающих нетривиальность истолкования релятивистской относительности как объективного явления. Здесь следует отметить такой момент. Согласно теории относительности, релятивистские кинематические эффекты обратимы. Допустим, что система отсчета К покоится, К' движется относительно К равномерно и прямолинейно, а измерение проводится из системы К. В таком случае правомерен вывод, что длина стержней, неподвижных в К', меньше длины таких же стержней в К, а часы в К' идут медленнее, чем часы в К. Однако все инерциаль-ные системы равноправны. В силу этого мы можем считать покоящейся систему К', а движущейся—систему Я. Проводя измерения стержней и часов, расположенных в К, из системы К', мы обнаружим, что длины стержней сокращаются, а ход часов замедляется относительно системы К'. Спрашивается, где же происходит «истинное» изменение пространственных и временных характеристик? С точки зрения теории относительности этот вопрос не имеет смысла. Вследствие этого может

' К. Godel. A remark about the relationship between relativity theory and idealistic philosophy. — «Albert Einstein: philosopher-scientist». Evanston and Chicago, 1949, p. 557.

создаться впечатление, что релятивистские кинематические эффекты нереальны.

Обратимость релятивистских кинематических эффектов нельзя расценивать как свидетельство их нереальности. Ведь аналогичная ситуация наблюдается не только в релятивистской физике. Она возникает, в частности, в связи с такими «объектами», как точки. Не имеет смысла говорить о координате какой-либо точки (или события) без указания системы координат. При этом в одной системе точка имеет одни координаты, а в другой — иные. Вопрос о том, какие координаты точки следует считать «истинными»— первые или вторые,— бессмыслен. И первые, и вторые одинаково реальны. То же самое с точки зрения теории относительности можно сказать о длинах стержней и ходе часов в различных системах отсчета.

Несостоятельность идеалистической трактовки специальной теории относительности доказывается также и тем, что наблюдатель, в котором приверженцы этой трактовки усматривают источник относительности пространства и времени, в принципе может быть исключен из теории и заменен материальными приборами. Ф. Франк справедливо отмечает в связи с этим: «Видимость субъективности нашла отражение только в попытках сформулировать суждения теории относительности в виде, аналогичном утверждениям здравого смысла. Вместо того, чтобы говорить «длина относительно системы отсчета»... мы употребляем выражение «длина для наблюдателя в системе S»» '. Отказ от языка «здравого смысла», продолжает Франк, ведет к тому, что наблюдатель «совершенно исчезнет и будет заменен измерительной линейкой или часами» 2.

Таким образом, истолкование относительности пространства и времени как проявления их зависимости от выбора наблюдателя несостоятельно. Относительность не исключает объективности. Она выступает противоположностью не объективности, а абсолютности. Пространство и время, будучи относительными, имеют объективный статус.

Вторую идеалистическую версию специальной теории относительности развивает операционализм.

1 Ф. Франк. Философия науки. М., 1960, стр. 296.

2 Там же.

Операционализм не ставит знака равенства между относительностью и субъективностью в вышеупомянутом смысле. Однако с его точки зрения все пространственно-временные величины — как относительные, так и абсолютные (в теории относительности, как известно, наряду с относительностью пространства и времени в их раздельном виде признается абсолютность пространственно-временного интервала) — зависят от субъекта в операциональном смысле. Физические величины, согласно операционализму, не имеют объективного смысла вне процедуры измерения. Их содержание определяется измерительной процедурой. Например, содержание понятия «длина» отражает не объективные отношения материального мира, а процедуру измерения.

Пафос операционализма направлен против созерцательной трактовки физического познания, которая недооценивает роль измерений. Однако операционализм также не дает правильной оценки роли измерительных операций в физике, в том числе и в специальной теории относительности. Если мы примем операционализм, то нам придется признать, что специальная теория относительности описывает вовсе не физический мир, а всего лишь измерительные операции, показания приборов и, в конечном счете, наши ощущения. Она в таком случае вообще не является физической теорией, а представляет собой отрасль психологии, интерпретированную к тому же в духе идеализма. С материалистической точки зрения, которая противоположна точке зрения операционализма, измерения не создают релятивистских эффектов, а лишь выявляют их. Они служат средством не конструирования, а познания свойств объективного мира.

Операционализм несостоятелен не только в общефилософском плане, но и с точки зрения самой науки.Если релятивистские эффекты создаются процедурой измерения, то возникает вопрос, почему именно в их создании исключительную роль играют измерения посредством световых сигналов. Операционализм оставляет этот вопрос без ответа. Между тем выбор световых сигналов для измерения длин и временных интервалов не случаен благодаря следующему обстоятельству: скорость света не зависит от движения его источника. Само это обстоятельство является следствием определенной структуры пространства и времени. Измерения при помощи свето-

вых сигналов не создают этой структуры, а лишь способствуют ее выявлению.

Существен и такой момент. В ходе развития специальной теории относительности была получена интерпретация, в которой нет места не только наблюдателям, но даже приборам и измерительным операциям в том смысле, в каком их понимает операционализм. Ею является интерпретация специальной теории относительности посредством пространства Минковского. В этом пространстве различие длины стержня в разных системах отсчета и соответственно различие временного интервала не связаны с процедурой измерения, а выступают как простые следствия того, что один и тот же отрезок имеет различные по своей длине проекции в разных системах координат. Весьма характерно, что эта интерпретация, противоречащая операционализму, отвергается последним как операционалистски несостоятельная. Однако в действительности она имеет важное значение для развития специальной теории относительности и перехода от нее к общей теории относительности.

До сих пор мы рассматривали идеалистические интерпретации специальной теории относительности, в которых субъект выступал в роли наблюдателя, определявшего пространственно-временные отношения посредством своей «точки зрения» или измерительных процедур. Третий вариант идеалистических интерпретаций специальной теории относительности основан на преувеличении конвенционального момента в построении этой теории.

С точки зрения Эйнштейна, относительность пространства и времени проистекает из относительности одновременности. Понятие одновременности является центральным в теории относительности. Если в классической физике одновременность понималась чисто интуитивно, то здесь она вводится соответствующим определением. Это определение состоит в следующем. Пусть А и В — две различные точки пространства, в которых помещены двое часов. В момент времени t1 световой сигнал посылается из А в В и, отразившись в точке В, возвращается обратно в А в момент времени t2. Согласно Эйнштейну, часы в А и В идут синхронно, т. е. показывают одно и то же время, если в момент прибытия сигнала из А в В часы в В показывают время (t1+t2)/2. Эйнштейново определение

одновременности подразумевает, что скорость света в направлении от А к В равна скорости света в направлении от В к А. Если мы обозначим первую символом c, а вторую — с, то, согласно предположению Эйнштейна, получим с=c.

Относительность одновременности, которая служит основой всей релятивистской кинематики, является следствием двух предпосылок — эйнштейнова определения одновременности и принципа постоянства скорости света (т. е. независимости скорости света от скорости его источника). Она может быть проиллюстрирована следующим образом (см. рис. 1). Система координат x'y' движется относительно системы координат ху с постоянной скоростью вдоль оси х. Из точки В в точки А и С, которые удалены от В на одинаковое расстояние, отправляются световые сигналы. Поскольку, согласно эйнштейнову определению одновременности, скорости света в двух противоположных направлениях равны (с=с), в системе x'y' свет придет в А и С одновременно (так как АВ==ВС). Иная картина будет наблюдаться в системе ху.

В силу принципа постоянства скорости света последняя равна сив движущейся, и в покоящейся системах координат. Но в таком случае наблюдатель в ху зарегистрирует, что свет вначале достигнет точки А (А движется в направлении к лучу света), а затем точки С (С движется в направлении от луча света). Таким образом, достижение световыми сигналами точек А и С, одновременное в x'y', будет неодновременным в ху.

 

Поскольку относительность пространства и времени выводится из относительности одновременности, постольку для того, чтобы обосновать объективность пространства и времени, необходимо раскрыть объективное содержание самой относительности одновременности. Этот вопрос не является простым. Он до сих пор остается предметом дискуссий среди физиков и философов. Обстоятельства, которые определяют его сложность, служат вместе с тем и предпосылками, гносеологическими корнями конвенционалистской интерпретации специальной теории относительности.

В основе утверждения об относительности одновременности, как мы уже отмечали, лежат две предпосылки — независимость скорости света от скорости его источника и эйнштейново определение одновременности, утверждающее равенство скоростей света в двух противоположных направлениях. Первая предпосылка, представляющая собой формулировку принципа постоянства скорости света, допускает эмпирическую проверку. Она подтверждена опытом Майкельсона. Но можно ли сказать то же самое об эйнштейновом определении одновременности? Очевидно, нет. Утверждение о равенстве скорости света в двух противоположных направлениях, лежащее в основе эйнштейнова определения одновременности, не допускает прямой эмпирической проверки.

Здесь нужно иметь в виду следующее. Во-первых, измерения моментов времени t1 отправления светового сигнала из точки А в точку В и h приема его в точке А после отражения в точке В дают нам возможность вычислить лишь среднюю скорость света туда и обратно. Она равна отношению удвоенного расстояния от А до В ко времени, которое световой сигнал затрачивает на прохождение расстояния от А до В и обратно, т. е. с=2AB/(t2-t1).

Ясно, что сам по себе этот эксперимент еще не доказывает, что свет распространяется с одинаковой скоростью от А до В и от В до А, т. е. что имеет место равенство

с=с. Вычисленное среднее значение скорости не исключает такой гипотетической ситуации, когда свет от А до В распространяется со скоростью, большей с, а обратно-меньшей с, или наоборот.

Во-вторых, если строго подходить к данному вопросу, равенство с=с вообще непосредственно эмпирически непроверяемо. До определения одновременности мы вообще не вправе пользоваться понятием скорости, в том числе и понятием скорости света. Понятие скорости про-изводно от понятий расстояния и времени. Если время в данной точке можно измерить на основе какого-либо периодического процесса, выбранного нами в качестве часов, то для определения расстояния между двумя точками мы должны установить условие одновременности событий, происходящих в этих точках, так как расстояние должно изменяться не просто между интересующими нас точками, но между этими точками в один и тот же момент времени. Это условие задается утверждением, которое с логической точки зрения является определением. Мы не можем проверить утверждение об одновременности двух пространственно разделенных событий ввиду его дефинициального характера.

Одним из первых, кто обратил внимание на дефини-пиальный статус одновременности, был Г. Рейхенбах. Он, однако, интерпретировал это как довод в пользу конвенциональности одновременности. Рейхенбах развил свою концепцию одновременности, из которой следовало, что эйнштейново определение одновременности не детерминировано объективными обстоятельствами, а является одной из логических возможностей, причем выбор определяется соображениями простоты.

Свою концепцию одновременности Рейхенбах развил на основе причинной теории времени. Согласно этой теории, во временном порядке находятся лишь те события, между которыми можно установить причинные отношения. Если событие А является причиной В, то это означает, что А предшествует В во времени. На причинные отношения Рейхенбах накладывает ограничение, заключающееся в том, что скорость причинного действия не может превышать скорости света в вакууме. Из этого следует, что причинные отношения не могут быть установлены между любыми парами событий. События, которые разделены так называемым пространственноподоб-ным интервалом, вообще не могут находиться в причинных отношениях. С точки зрения причинной теории времени между такими событиями отсутствует и отношение временного порядка. На этом основании Рейхенбах

вводит следующее определение одновременности: «Любые два события, для которых временной порядок является неопределенным, считаются одновременными» 1. Этот вид одновременности Рейхенбах называет топологической одновременностью.

Топологическая одновременность Рейхенбаха отличается от одновременности Эйнштейна. Различие между ними иллюстрирует рис. 2.

 

В точках А и В расположены часы, которые синхронизируются посредством световых сигналов. Эти сигналы посылаются из А в В и, отражаясь в В, возвращаются обратно в А. Эйнштейново определение одновременности утверждает следующее. Пусть в момент t1 световой сигнал из А отправляется в В (событие E1) и, отразившись в точке В (событие Е), возвращается обратно в точку А в момент времени t2 (событие Е2). Считается, что часы в точках А и В показывают одно и то же время, если в момент прибытия светового сигнала из А в В (событие Е) часы, расположенные в В, показывают время (t1+t2)/2. Одновременным с событием Е будет, с точки зрения Эйнштейна, событие Е'. С точки зрения Рейхенбаха, событие Е' не является, однако, единствен-

1 Н. Reichenbach. The philosophy of space and time. N. Y., 1956, p. 145.

ным событием, одновременным с Е. Поскольку, в силу конечности скорости передачи причинного действия, невозможно установить причинные отношения между событием Е и любым событием в интервале между событиями Е1 и Е2, постольку все они топологически одновременны с Е. Такой вывод непосредственно вытекает из определения одновременности, предложенного Рейхенбахом.

Итак, по Рейхенбаху, не существует истинной одновременности данного события с другим событием. Мы всегда вправе считать, что событие Е одновременно не с Е', а, например, с Е". Ни одно из этих определений одновременности не будет более истинным, чем другое. Все определения одновременности зависят не от опыта, а исключительно от конвенций, т. е. соглашений, которые в широком диапазоне оказываются совершенно произвольными.

Релятивистская кинематика, в том числе утверждение об относительности пространства и времени, опирается на эйнштейново определение одновременности, вводимое в каждой инерциальной системе. Рейхенбах считает, что, поскольку это определение чисто условно, постольку условной оказывается и релятивистская кинематика. Пространство и время некоторой движущейся инерциальной системы относительны только потому, что мы использовали определение одновременности Эйнштейна, необходимость которого, по мнению Рейхенбаха, не обусловлена никакими объективными обстоятельствами. Следовательно, и релятивистская кинематика представляет собой не отражение объективной структуры мира, а лишь одну из допустимых лингвистических форм описания эмпирических фактов.

В рейхенбаховском учении о топологической одновременности и основанном на нем выводе о возможности использования различных понятий одновременности в рамках одной и той же инерциадьной системы отсчета имеются определенные рациональные моменты 1, Они предвосхитили более поздние физические результаты о возможности формулировки специальной теории относи-

1 Некоторые из них рассмотрены в работах Ю. Б. Молчанова «К вопросу об определении одновременности с помощью транспортировки часов» («Эйнштейновский сборник». М., 1972); «О границах условности при определении одновременности» («Философские основания естественных наук». М., 1976),

тельности не только в лоренпевых, но и в галилеевых координатах. Однако философская интерпретация топологической одновременности и связанной с ней проблемы конвенций, данная Рейхенбахом, представляется нам неудовлетворительной, ибо она ведет к отрицанию объективности относительности пространства и времени.

Что же объективно обусловливает выбор эйнштейновского определения одновременности? Конечно, этого требуют не эмпирические факты, взятые сами по себе. Они могут быть описаны с использованием различных определений одновременности. Однако только эйнштейново определение одновременности гарантирует такую формулировку физических законов, которая инвариантна относительно группы преобразований Лоренца, т. е. только оно обеспечивает выполнение принципа относительности. Отказ от эйнштейновского определения исключает инвариантность законов и принцип относительности.

Если к свойству инвариантности физических законов отнестись лишь как к некоторой детали научного языка, ничего не отражающей в природе, то тогда можно принять и концепцию Рейхенбаха. С точки зрения философии эмпиризма, которой придерживается Рейхенбах, объективной значимостью обладают только эмпирические факты, в то время как физические законы не имеют референтов в реальном мире. Они представляют собой лишь условные логические схемы, приводящие в систему эмпирические факты. Однако если признать, что физическим законам соответствуют объективно-реальные референты, что принцип относительности, представляющий собой требование инвариантности законов, имеет объективные основания, то конвенциональной свободе в выборе определений одновременности приходит конец.

Рейхенбах считал, что его концепция одновременности «реалистична» в том смысле, что она опирается только на эмпирические данные. Ее единственной основой служит утверждение о том, что скорость света — это предельная скорость любого физического процесса. Что же касается лоренц-инвариантной формы законов, то, ввиду ее чисто лингвистического характера, ею можно в принципе пренебречь. Однако такая оценка инвариантности не соответствует реальной истории развития теории относительности. Принцип инвариантности сыграл важнейшую роль в становлении теории относительности. Кроме того, как показало дальнейшее развитие физики,

можно пожертвовать даже положением о предельной скорости света, сохранив при этом лоренц-инвариант-ность (что характерно для нелокальных квантовых теорий поля). Последняя представляется ученым наиболее важным аспектом специальной теории относительности.