Чтобы увидеть значение теории относительности Эйнштейна для эволюции физической мысли, следует прежде всего остановиться на самых общих понятиях относительности положения и движения тел и однородности пространства и времени. В теории Эйншиейна фигурирует однородность и изотропность пространства-времени.
Представим себе материальную частицу, затерянную в бесконечном, абсолютно пустом пространстве. Что в этом случае означают слова "пространственное положение" частицы? Соответствует ли этим словам какое-либо реальное свойство частицы?
Если бы в пространстве существовали другие тела, мы могли бы определить по отношению к ним положение данной частицы, но если пространство пусто, положение данной частицы оказывается бессодержательным понятием. Пространственное положение имеет физический смысл только в том случае, когда в пространстве имеются иные тела, служащие телами отсчета. Если брать в качестве тел отсчета разные тела, мы придем к различным определениям пространственного положения данной частицы. С любым телом мы можем связать некоторую систему отсчета, например систему прямоугольных координат. Такие системы равноправны: в какой бы системе отсчета мы ни определяли положение точек, из которых состоит данное тело, размеры и форма тела будут одними и теми же, и, измеряя расстояния между точками, мы не найдем критерия, чтобы отличить одну систему отсчета от другой. Мы можем поместить начало координат в любой точке пространства, мы можем затем перенести это начало в любую другую точку, либо повернуть оси, либо сделать и то и другое - форма и размеры тела при таком переносе и повороте не изменятся, так как не изменится расстояние между любыми двумя фиксированными точками этого тела. Неизменность этого расстояния при переходе от одной системы отсчета к другой называют инвариантностью по отношению к указанному переходу. Мы говорим, что расстояния между точками тела являются инвариантами при переходе от одной прямоугольной системы координат другой, с иным началом и иным направлением осей. Расстояния между точками тела служат инвариантами таких координатных преобразований. В инвариантности расстояний между точками относительно переноса начала координат выражается однородность пространства, равноправность всех его точек относительно начала координат.
Если точки пространства равноправны, то мы не можем определить пространственное положение тела абсолютным образом, мы не можем найти привилегированную систему отсчета. Когда мы говорим о положении тела, т.е. о координатах его точек, то необходимо указывать систему отсчета. "Пространственное положение" в этом смысле является относительным понятием - совокупностью величин, которые меняются при переходе от одной системы координат к другой системе, в отличие от расстояний между точками, которые не меняются при указанном переходе.
Однородность пространства выражается, далее, в том, что свободное тело, переходя из одного места в другое, сохраняет одну и ту же скорость и соответственно сохраняет приобретенный им импульс. Каждое изменение скорости и, соответственно, импульса, мы объясняем не тем, что тело передвинулось в пространстве, а взаимодействием тел. Изменение импульса данного тела мы относим за счет некоторого силового поля, в котором оказалось рассматриваемое тело.
Нам известна также однородность времени. Она выражается в сохранении энергии. Если с течением времени не меняется воздействие, испытываемое данным телом со стороны других тел, иными словами, если иные тела действуют неизменным образом на данное тело, то энергия его сохраняется. Мы относим изменение энергии тела за счет изменения во времени действующих на него сил, а не за счет самого времени. Время само по себе не меняет энергии системы, и в этом смысле все мгновения равноправны. Мы не можем найти во времени привилегированного мгновения, также как не можем найти в пространстве точку, отличающуюся от других точек по поведению попавшей в эту точку частицы. Поскольку все мгновения равноправны, мы можем отсчитывать время от любого мгновения, объявив его начальным. Рассматривая течение событий, мы убеждаемся, что они протекают неизменным образом, независимо от выбора начального момента, начала отсчета времени.
Мы могли бы сказать, что время относительно в том смысле, что при переходе от одного начала отсчета времени к другому описание событий остается справедливым и не требует пересмотра. Однако обычно под относительностью времени понимают нечто иное. В простом и очевидном смысле независимости течения событий от выбора начального момента относительность времени не могла бы стать основой новой теории, совсем не очевидной, опрокидывающей обычное представление о времени.
Под относительностью времени мы будем понимать зависимость течения времени от выбора пространственной системы отсчета. Соответственно абсолютным временем называется время, не зависящее от выбора пространственной системы координат, протекающее единообразно на всех движущихся одна относительно другой системах отсчета, - последовательность моментов, наступающих одновременно во всех точках пространства. В классической физике существовало представление о потоке времени, который не зависит от реальных движений тела, - о времени, которое течет во всей Вселенной с одной и той же быстротой. Какой реальный процесс лежит в основе подобного представления об абсолютном времени, о мгновении, одновременно наступающем в отдаленных пунктах пространства?
Вспомним условия отождествления времени в разных точках пространства.
Время события, происшедшего в точке а1, и время события, происшелшего в точке а2 можно отождествить, если события связаны мгновенным воздействием одного события на другое. Пусть в точке а1 находится твердое тело, соединенное абсолютно жестким, совершенно недеформирующимся стержнем с телом, находящимся в точке а2. Толчок, полученный телом в точке а1, мгновенно, с бесконечной скоростью, передается через стержень телу в точкеа2. Оба тела сдвинутся в одно и то же мгновение. Но все дело в том, что в природе нет абсолютно жестких стержней, нет мгновенных действий одного тела на другое. Взаимодействия тел передаются с конечной скоростью, никогда не превышающей скорости света. В стержне, соединяющем тела, при толчке возникает деформация, которая распространяется с конечной скоростью от одного конца стержня к другому, подобно тому, как световой сигнал идет с конечной скоростью от источника света к экрану. В природе нет мгновенных физических процессов, соединяющих события, происшедшие в удаленных один от другого пунктах пространства. Понятие "один и тот же момент времени" имеет абсолютный смысл, пока мы не сталкиваемся с медленными движениями тел и можем приписать бесконечную скорость световому сигналу, толчку, переданному через твердый стержень или любому другому взаимодействию движущихся тел. В мире быстрых движений, при сравнении с которыми распространению света и взаимодействию между телами уже нельзя приписывать бесконечно большую скорость,
- в этом мире понятие одновременности имеет относительный смысл, и мы должны отказаться от привычного образа единого времени, текущего во всей Вселенной, - последовательности одних и тех же, одновременных, моментов в различных пунктах пространства.
Классическая физика исходит из подобного образа. Она допускает, что одно и то же мгновенно наступает повсюду - на Земле, на Солнце, на Сириусе, на внегалактических туманностях, отстоящих от нас так далеко, что их свет идет к нам миллиарды лет.
Если бы взаимодействия тел (например силы тяготения, связывающие все тела природы) распространялись мгновенно, с бесконечной скоростью, мы могли бы говорить о совпадении момента, когда одно тело начинает воздействовать на другое, и момента, когда второе тело, удаленное от первого, испытывает это воздействие. Назовем воздействие тела на удаленное от него другое тело сигналом. Мгновенная передача сигнала - основа отождествления моментов, наступивших в отдаленных пунктах пространства. Такое отождествление можно представить в виде синхронизации часов. Задача состоит в том, чтобы часы в в точке а1 и в точке а2 показывали одно и то же время. Если существуют мгновенные сигналы, эта задача не составляет труда. Часы можно было бы синхронизировать по радио, световым сигналом, выстрелом из пушки, механическим импульсом (посадить, например, стрелки часов в а1 и в а2 на один длинный абсолютно жесткий вал), если бы радиоприемник, свет, звук и механические напряжения в вале передавались с бесконечно большой скоростью. В этом случае мы могли бы говорить о чисто пространственных связях в природе, о процессах, протекающих в нулевой промежуток времени. Соответственно трехмерная геометрия имела бы реальные физические прообразы. Пространство в этом случае мы бы могли рассматривать вне времени, и такой взгляд давал бы точное представление о действительности. Временные мгновенные сигналы служат прямым физическим эквивалентом трехмерной геометрии. Мы видим, что трехмерная геометрия находит прямой прообраз в классической механике, которая включает представление о бесконечной скорости сигналов, о мгновенном распространении взаимодействий между отдаленными телами. Классическая механика допускает, что существуют реальные физические процессы, которые могут быть с абсолютной точностью описаны мгновенной фотографией. Мгновенная фотография, разумеется стереоскопическая - это как бы трехмерное пространственное сечение пространственно-временного мира, это четырехмерный мир событий, взятый в один и тот же момент. Бесконечно быстрое взаимодействие - процесс, который может быть описан в пределах мгновенной временной картины мира.
Но теория поля как реальной физической среды исключает мгновенное ньютоново дальнодействие и мгновенное распространение сигналов через промежуточную среду. Не только звук, но и свет, и радиосигналы имеют конечную скорость. Скорость света - предельная скорость сигналов.