Пространство и Время Ньютона

Материал из synset
Перейти к: навигация, поиск
Теория и эксперимент << Оглавление (Глава 1) >> Время

Иcаак Ньютон

Современная физика отказалась от концепции абсолютного пространства и времени классической физики Ньютона. Релятивистская теория продемонстрировала, что пространство и время относительны. Нет, по-видимому, фраз, повторяемых более часто в работах по истории физики и философии. Однако все не так просто, и подобные утверждения требуют определенных уточнений (правда, достаточно лингвистического толка). Тем не менее, обращения истокам иногда оказывается очень полезным для понимания современного состояния науки.

Время, как известно, можно измерить при помощи равномерного периодического процесса. Однако, не имея времени, откуда мы знаем, что процессы равномерны? Очевидны логические трудности в определении подобных первичных понятий. Равномерность хода часов должна постулироваться и называться равномерным течением времени. Например, определяя время при помощи равномерного и прямолинейного движения, мы тем самым превращаем первый закон Ньютона в определение равномерного хода времени. Часы идут равномерно, если тело, на которое не действуют силы, движется прямолинейно и равномерно (по этим часам). При этом движение мыслится относительно инерциальной системы отсчета, которая для своего определения также нуждается в первом законе Ньютона и равномерно идущих часах.

Другая трудность связана с тем, что два одинаково равномерных на данном уровне точности процесса могут оказаться относительно неравномерными при более точном измерении. И мы постоянно оказываемся перед необходимостью выбора все более надежного эталона равномерности хода времени.

Как уже отмечалось, процесс считается равномерным и измерение времени с его помощью приемлемым до тех пор, пока все другие явления описываются максимально просто. Очевидно, что требуется определенная степень абстрагирования при подобном определении времени. Постоянный поиск правильных часов связан с нашим убеждением в некотором объективном свойстве времени обладать равномерным темпом хода.

Ньютон отлично понимал существование подобных трудностей. Более того, в своих "Началах" он и ввел понятия абсолютного и относительного времени, чтобы подчеркнуть необходимость абстрагирования, определения на основе относительного (обыденного, измеряемого) времени его некоторой математической модели — времени абсолютного. И в этом его понимание сущности времени не отличается от современного, хотя из-за различия в терминологии возникла определённая путаница.

Обратимся к "Математическим Началам Натуральной Философии" (1687 г.). Сокращённые формулировки определения Ньютоном абсолютного и относительного времени звучат следующим образом:
Абсолютное (математическое) время без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно. Относительное (обыденное) время есть мера продолжительности, постигаемая чувствами при посредстве какого-либо движения.
Соотношение между этими двумя понятиями и необходимость в них ясно видна из следующего пояснения:
Абсолютное время различается в астрономии от обыденного солнечного времени уравнением времени. Ибо естественные солнечные сутки, принимаемые при обыденном измерении времени за равные, на самом деле между собою неравны. Это неравенство и исправляется астрономами, чтобы при измерениях движений небесных светил применять более правильное время. Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенною точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может.
Относительное время Ньютона есть время измеряемое, тогда как время абсолютное есть его математическая модель со свойствами, выводимыми из относительного времени при помощи абстрагирования. Вообще, говоря о времени, пространстве и движении, Ньютон постоянно подчеркивает, что они постигаются нашими чувствами и тем самым являются обыденными (относительными):
Относительные количества не суть те самые количества, коих имена им обычно придаются, а суть лишь результаты измерений сказанных количеств (истинные или ложные), постигаемые чувствами и принимаемые обычно за сами количества.
Необходимость построения модели этих понятий требует введения математических (абсолютных) объектов, неких идеальных сущностей, не зависящих от неточности приборов. Утверждение Ньютона от том, что "абсолютное время протекает равномерно без всякого отношения к чему-либо внешнему" обычно истолковывают в смысле независимости времени от движения. Однако, как видно из приведенных выше цитат, Ньютон говорит о необходимости абстрагирования от возможных неточностей равномерного хода любых часов. Для него абсолютное и математическое время являются синонимами!

Ньютон нигде не обсуждает вопрос о том, что скорость течения времени может отличаться в различных относительных пространствах (системах отсчета). Безусловно, классическая механика подразумевает одинаковую равномерность хода времени для всех систем отсчета. Однако это свойство времени кажется настолько очевидным, что Ньютон, очень точный в своих формулировках, не обсуждает его и не формулирует как одно из определений или законов своей механики. Именно это свойство времени было отброшено теорией относительности. Абсолютное же время в понимании Ньютона по-прежнему присутствует в парадигме современной физики.

Перейдём теперь к физическому пространству Ньютона. Если понимать под абсолютным пространством существование некоторой выделенной, привилегированной системы отсчета, то излишне напоминать, что в классической механике его нет. Блестящее описание Галилеем невозможности определить абсолютное движение корабля — яркий тому пример. Таким образом, релятивистская теория и не могла отказаться от того, что в классической механики отсутствовало.

Тем не менее, у Ньютона вопрос о соотношении абсолютного и относительного пространства недостаточно ясен. С одной стороны, и для времени, и для пространства термин "относительный" используется в смысле "измеряемая величина" (постигаемая нашими чувствами), а "абсолютный" — в смысле "её математическая модель":
Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.
С другой стороны, в тексте присутствуют рассуждения о моряке на корабле, которые можно истолковать и как описание выделенной системы отсчета:
Если же и сама Земля движется, то истинное абсолютное движение тела найдется по истинному движению Земли в неподвижном пространстве и по относительным движениям корабля по отношению к Земле и тела по кораблю.
Таким образом, вводится понятие абсолютного движения, которое противоречит принципу относительности Галилея. Однако абсолютное пространство и движение вводятся для того, чтобы тут же поставить под сомнение их существование:
Однако совершенно невозможно ни видеть, ни как-нибудь иначе различать при помощи наших чувств отдельные части этого пространства одну от другой, и вместо них приходится обращаться к измерениям, доступным чувствам. По положениям и расстояниям предметов от какого-либо тела, принимаемого за неподвижное, определяем места вообще. Невозможно также определить истинный их (тел) покой по относительному их друг другу положению.
Возможно, необходимость рассмотрения абсолютного пространства и абсолютного движения в нем связана с анализом соотношения инерциальных и неинерциальных систем отсчета. Обсуждая опыт с вращающимся ведром, которое наполнено водой, Ньютон показывает, что движение вращения является абсолютным в том смысле, что его можно определить, не выходя за рамки системы ведро-вода, по форме вогнутой поверхности воды. В этом отношении его точка зрения также совпадает с современной. Недоразумение, выраженное в фразах, приведенных в начале раздела, возникло из-за заметных отличий в семантике употребления терминов "абсолютное" и "относительное" Ньютоном и современными физиками. Сейчас, говоря об абсолютной сущности, мы подразумеваем, что она описывается одинаковым образом для различных наблюдателей. Относительные вещи могут выглядеть по-разному для различных наблюдателей. Вместо "абсолютное пространство и время" мы сегодня говорим "математическая модель пространства и времени".
Поэтому воистину насилуют смысл священного писания те, кто эти слова истолковывают в нем.

Математическая структура как классической механики, так и релятивистской теории хорошо известна. Свойства, которыми наделяют эти теории пространство и время, однозначно следуют из этой структуры. Туманные же (философские) рассуждения об устаревшей "абсолютности" и революционной "относительности" вряд ли приближают нас к разгадке Главной Тайны.

Теория относительности по праву носит это название, так как, действительно, продемонстрировала, что многие вещи, кажущиеся абсолютными при малых скоростях, таковыми не являются при больших.


Литература

  • Исаак Ньютон Математические Начала Натуральной Философии

Теория и эксперимент << Оглавление (Глава 1) >> Время

Релятивистский мир - лекции по теории относительности, гравитации и космологии