Наряду со сжатием пространства в движущейся ИСО К?, следует учитывать, что в СТО время течет по-разному в разных ИСО [5]. В частности, если в движущейся ИСО К? одно за другим происходят два одноместных события, то:
?t = ?ф / a(V) = ?ф / v1 - VІ/cІ, (5)
где временные промежутки ?t и ?ф между событиями измерены соответственно в «неподвижной» ИСО К и в движущейся «собственной» ИСО К?; соотношение (5) отражает относительность временных интервалов в СТО.
Какова роль относительности одновременности событий в СТО? В учебно-методической литературе по СТО имеется тенденция, основываясь на ранних работах А. Эйнштейна 1905 г., переоценивать роль относительности одновременности событий при изложении СТО, так что относительность одновременности вводится как первичное понятие по отношению к относительности длин и временных интервалов. При этом, однако, упускается из вида принципиально неевклидовый характер 4-мерного пространства-времени в СТО, установленный Г. Минковским позднее, в 1908 г., который является прямым следствием принятия постулата о постоянстве скорости света.
Так, в книге А. Эйнштейна и Л. Инфельда «Эволюция физики», вышедшей в 1938 г., читаем: «Мы помним: скорость света одинакова во всех инерциальных системах координат. Этот факт несовместим с классическим преобразованием. … Не можем ли мы предположить, что имеют место такие изменения в ритме движущихся часов и в длине движущегося стержня, что постоянство скорости света будет следовать непосредственно из этих предположений? В самом деле, можем! Здесь впервые теория относительности и классическая физика радикально расходятся. Наш довод может быть сформулирован иначе: если скорость света одинакова во всех системах, то движущиеся стержни должны изменять свою длину, движущиеся часы должны изменять свой ритм, а законы, управляющие этими изменениями, являются строго определенными» [2, с. 174]. Таким образом, из постулата о постоянстве скорости света во всех ИСО сразу же следует относительность пространственных и временных промежутков в СТО, без обращения к относительности одновременности событий.
Указание на «второстепенную» роль относительности одновременности имеется также в стандартном учебнике Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица «Теория поля» [5]. Согласно точке зрения авторов учебника, «время течет по-разному в разных системах отсчета. Следовательно, утверждение, что между двумя данными событиями прошел определенный промежуток времени, приобретает смысл только тогда, когда указано, к какой системе отсчета это утверждение относится. В частности, события, одновременные в некоторой системе отсчета, будут не одновременными в другой системе» [5, с. 16]. Таким образом, в СТО время относительно, т.е. течет по-разному в разных ИСО, а относительность одновременности двух событий - это лишь частный случай относительности времени.
В то же время в первой статье А. Эйнштейна по СТО (1905 г.) из принципа постоянства скорости света сразу следует относительность одновременности двух разноместных событий; отсюда, в свою очередь, следует рассогласование часов в двух ИСО, и лишь затем - относительность длин и временных промежутков, которая объясняется относительностью одновременности событий.
Трудности при таком изложении СТО возникают в объяснении перехода от постулата c = const к относительности длин и промежутков времени. Если в этом пункте буквально следовать А. Эйнштейну (на чем настаивают авторы ряда учебников), то к учащимся старших классов и к студентам вузов необходимо предъявлять очень высокие требования в плане способности к абстрактному мышлению, так как в своей учебно-познавательной деятельности они должны повторять уникальный исследовательский путь А. Эйнштейна!
В связи с этим, по нашему мнению, при изучении элементов СТО в ШКФ и в вузах методически целесообразно изменить логическую схему при изложении СТО. Из принципа постоянства скорости света во всех ИСО должна следовать относительность длин и временных промежутков, обеспечивающая это постоянство скорости света во всех ИСО и обусловленная неевклидовой метрикой 3-мерного пространства и относительностью времени в СТО; и лишь затем уже должна появляться относительность одновременности событий в разных ИСО как следствие относительности времени в СТО.
Указание на неевклидовую метрику 3-мерного пространства в СТО позволит:
- объяснить объективный характер относительности длины движущихся тел ввиду неевклидовой метрики 3-мерного пространства в СТО;
- обеспечить методологическую основу для более глубокого понимания студентами и школьниками релятивистской кинематики и релятивистских «парадоксов» (например, парадокса «Карандаш и пенал» и других).
В заключение еще раз подчеркнем, что для средней школы и вузов именно мировоззренческий аспект фундаментальных физических теорий - специальной и общей теории относительности (СТО и ОТО) - является основным ввиду его важной роли в формировании ФКМ у учащихся и студентов, а конкретное физическое содержание СТО, а тем более ОТО - второстепенным, ввиду его абстрактности и сложности понятийного аппарата.
В этой связи важной задачей является анализ становления современной ФКМ, в частности, таких ее элементов, как представления о пространстве и времени в физической науке.
Автор выражает благодарность профессору С.Е. Каменецкому (МПГУ) и профессору Н.С. Пурышевой (МПГУ) за проявленное внимание к работе и критические замечания, а также профессору А.Д. Гладуну (МФТИ) за полезное обсуждение результатов.
Литература
1. Принцип относительности. Сборник работ по СТО. - М.: Атомиздат, 1973.
2. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. - М.-Л.: ОГИЗ ГИТТЛ, 1948.
3. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. Учебное пособие. В 2-х томах. Том 1. - М.: Наука, 1969.
4. Угаров В.А. Специальная теория относительности. - М.: Наука, 1977.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. - М.: Наука, 1988.
6. Хрусталев А.В. Движение частицы в статическом гравитационном поле. - М.: «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2003.