Принцип относительности как фундаментальная симметрия

Понятие симметрии (мы имеем в виду, конечно, динамические симметрии движущихся равномерно или покоящихся относительно друг дру- га систем отсчета) определяется относительно законов движения. Поскольку сами законы выражаются в виде связей зависимых и независимых переменных, изменение переменных, сохраняющее вид законов, является преобразованием симметрии. Вопрос, который нас интересует в большей степени, - эмпирический статус таких преобразований симметрии. Отметим, что Галилей рассматривал одновременно и физически «выполнимую» и непосредственно наблюдаемую симметрию, что имеет место далеко не всегда. У Галилея преобразование симметрии фиксируется с помощью двух «эмпирически различных» состояний: корабль покоится и корабль равномерно движется. Симметрия наблюдается эмпирически как указание на то, что относительно кабины корабля явления внутри не позволяют нам определить, стоим мы или движемся, находимся мы в одной системе отсчета или в другой.

Еще раз, уже у Галилея, мы видим, что регистрация симметрии требует двух наблюдений, более того, наблюдение симметрии - это всегда указание на неизменившуюся систему (неподвижный корабль) и на изменившуюся (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 отсчета 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 происходит (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 симметрии: внутри этих систем физика «остается неизменной», т. е. сохраняется [Brading, Brown, 2004. Р. 646].

Естественно, понятие «наблюдаемости» симметрии в таком понимании достаточно тонко. Все сводится к тому, насколько эффективно удастся зафиксировать две различные системы отсчета, что, однако, нетривиально. Во-первых, это потребует предположения, что мы имеем возможность взаимодействовать между «движущейся» и «неподвижной» системами, для того чтобы фиксировать (внешне) то, что они действительно качественно различны. У Галилея мы просто видим, что корабль движется, в ОТО Эйнштейн заранее делает предположение о двух различных сценариях (на тело не действует сила тяжести или тело движется равноускоренно).

Возвращаясь к проблемам интерпретации принципа относительности в рамках РСТО, необходимо отметить, что, на наш взгляд, любые попытки обнаружения «непосредственно эмпирически наблюдаемой» симметрии искомого вида обречены на провал. Данное обстоятельство показывает, 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. Косвенная наблюдаемость симметрии является наблюдением следствий определенных свойств законов физики, которые каким-либо образом связаны с их симметриями. Косвенно наблюдаемая симметрия не зависит от выполнения условий трансформации или симметрии (см. выше), она зависит скорее от различных «общетеоретических» соображений, таких как выполнение антропного принципа или AcG-принципа, абдуктивных заключений, 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 локальная симметрия будет обнаружена только косвенно: нужно найти следствие симметрии, которое на нее укажет.

Зададимся более общим вопросом: что вообще можно считать «эмпирическим» следствием предположения (гипотезы) о существовании релятивистского эфира? По мнению В.

в таком инвариантно покоящемся в пространстве относительно инер- циальных систем эфире, который играет роль «светоносной среды»,

всегда оказывается справедливым принцип постоянства скорости света. Тогда и принцип инвариантности движения света относительно любого инерциального наблюдателя является, аналогично принципу относительности, следствием инвариантности покоя эфира относительно тех же инерциальных наблюдателей [Корухов, 2002. С. 87].

Таким образом, фактически утверждается, что сами принципы СТО являются свойствами существования этой гипотетической среды или пространства РСТО. В § 3.4 указано, что кинематическое свойство инвариантного покоя

является той альтернативой, которая не была должным образом рассмотрена в свое время при анализе всех возможных кинематических условий существования эфира. Действительно, при введении эфира, пространственно покоящегося относительно любой инерциальной системы отсчета, законы, описывающие явления природы, не будут находиться в зависимости от состояния движения, поскольку понятия равномерного и прямолинейного движения относительно такого эфира не существует. При таких и только при таких условиях, накладываемых на среду, может выполняться принцип относительности, подтвержденный многолетней практикой. Более того, сам принцип относительности является прямым проявлением свойства инвариантного покоя среды [Там же. С. 86].

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

Невозможность обнаружения эфира с помощью равномерного движения 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 является сопутствующей, в том смысле, что нет относительного движения эфира и вещественного объекта, связанного с этой инерциальной системой [Корухов, 2002. С.

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 указывают, 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 относительно обсуждаемого уравнения состояния [Корухов, 2002. С. 88-92]. Глинер назвал такую среду вакуумоподобной, которая «по своим механическим свойствам существенно (качественно) отличается от других известных состояний - вещества и поля» [Глинер, 1970].

На наш взгляд, последний пример может со временем действительно обрести эмпирическое содержание или трактовку, подкрепленную конкретными наблюдениями, а не только оставаться потенциальным «эмпирическим» следствием гипотезы, подтверждение которого будет свидетельствовать в ее пользу. Одна из проблем современной космологии - расширение Вселенной, в частности, инфляционные модели предсказывают наличие в прошлом Вселенной фаз, которые сопровождались «расталкиванием» вещества (пространства), а не только его динамическим расширением, иногда даже говорят о наличии мистической темной энергии, ответственной за это «расталкивание» [Дымникова, 1986]. Можно предположить, что подобное «расталкивание» является простым следствием специфического уравнения состояния релятивистского эфира - уравнения состояния с отрицательным давлением. Таким образом, проблема 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 фундаментальный уровень материи), обладающего характерным уравнением состояния. Конечно, говорить о полной взаимосвязи модели пространства РСТО и современных космологических теорий пока рано, РСТО фактически еще не преодолела «статус» умозрительной гипотезы, однако возможно, что данное замечание в дальнейшем будет косвенно подтверждено в ходе развития научного знания или послужит необходимой эвристикой развития самой РСТО.

Итак, на наш взгляд, приведенные два примера с некоторыми допущениями можно считать косвенными свидетельствами в пользу РСТО.

Зададимся вопросом, о классе эквивалентности каких ИСО может идти 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 релятивистского эфира. Для каждого вещественного наблюдателя релятивистский эфир «проявляется» в покое, это - аксиома, относительное движение не рассматривается. Например, нельзя говорить об относительности движения самолета и эфира, можно говорить только об относительности движения 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 необычные кинематические свойства, будет модель пространства РСТО. Если вновь предположить, что свойства пространств Евклида, Минков- ского и Римана в совокупности с принципом относительности определяют 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 «новое» определение ИСО, а вопрос о том, с помощью каких средств описывается пространство РСТО, какова геометрия РСТО.

Поскольку движения относительно релятивистского эфира нет (соответственно затруднено «непосредственное» введение ИСО), фактически математическая (геометрическая) модель РСТО должна обладать одним уникальным свойством: в каждой точке пространства должно «восстанавливаться» бесконечно много своих, соответствующих модели РСТО, характерных ИСО. Еще раз. Если мы хотим «соответствовать духу» принципа относительности, который привнес еще Галилей, то, говоря о пространстве РСТО, мы должны говорить об особого рода эквивалентности класса предполагаемых ИСО соответствующего вида, причем в каж- дой точке пространства таких ИСО должно быть бесконечно много. Примечательно, 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, являются 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 построения 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 нашла свое конкретно-научное содержание уже в рамках механики Ньютона. Впоследствии эвристический потенциал принципа относительности позволил расширить его и на СТО и на ОТО. Во всех случаях принцип относительности играл также ограничивающую роль, оказывая определенное влияние на выбор соответствующих математических (геометрических) моделей. На наш взгляд, эволюция принципа относительности на этом не закончена, скорее всего, он найдет соответствующую интерпретацию (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 определенного вида симметрии, а дополнительные физические принципы (эквивалентность ИСО, принцип эквивалентности Эйнштейна, инвариантный 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 построения новой модели пространства-времени.