Опыты Майкельсона и теоретические работы Лоренца послужили базой для нового видения мира физических явлений. Это касается в первую очередь пространства и времени, фундаментальных понятий, определяющих построение всей картины мира. Эйнштейн показал, что введенные Ньютоном абстракции абсолютного пространства и абсолютного времени должны быть оставлены и заменены другими. Прежде всего отметим, что характеристики пространства и времени будут по-разному выступать в системах неподвижных и движущихся относительно друг друга.
Так, если измерить на Земле ракету и установить, что ее длина составляет, к примеру, 40 метров, а затем с Земли определить размер той же ракеты, но движущейся с большой скоростью относительно Земли, то окажется, что результат будет меньше 40 метров. А если измерить время, текущее на Земле и на ракете, то окажется, что показания часов будут разными. На движущейся с большой скоростью ракете время, по отношению к земному, будет протекать медленнее, и тем медленнее, чем выше скорость ракеты, чем больше она будет приближаться к скорости света. Отсюда следуют некоторые отношения, которые с нашей обычной практической точки зрения являются парадоксальными.
Таков так называемый парадокс близнецов. Представим себе братьев-близнецов, один из которых становится космонавтом и отправляется в длительное космическое путешествие, другой остается на Земле. Проходит время. Космический корабль возвращается. И между братьями происходит примерно такая беседа: «Здравствуй, – говорит остававшийся на Земле, – рад тебя видеть, но почему ты почти совсем не изменился, почему ты такой молодой, ведь с того момента, когда ты улетал, прошло тридцать лет». «Здравствуй, – отвечает космонавт, – и я рад тебя видеть, но почему ты так постарел, ведь я летал всего пять лет». Итак, по земным часам прошло тридцать лет, а по часам космонавтов только пять. Значит, время не течет одинаково во всей Вселенной, его изменения зависят от взаимодействия движущихся систем. Это один из главных выводов теории относительности.
Немецкий математик Г. Минковский, анализируя теорию относительности, пришел к выводу, что следует вообще отказаться от представления о пространстве и времени как отдельно друг от друга существующих характеристиках мира. На самом деле, утверждал Минковский, есть единая форма существования материальных объектов, внутри которой пространство и время не могут быть выделены, обособлены. Поэтому нужно понятие, которое выражает это единство. Но когда дело дошло до того, чтобы обозначить это понятие словом, то нового слова не нашлось, и тогда из старых слов образовали новое: «пространство-время».
Итак, надо привыкать к тому, что реальные физические процессы происходят в едином пространстве-времени. А само оно, это пространство-время, выступает как единое четырехмерное многообразие; три координаты, характеризующие пространство, и одна координата, характеризующая время, не могут быть отделены друг от друга. А в целом свойства пространства и времени определяются совокупными воздействиями одних событий на другие. Анализ теории относительности потребовал уточнения одного из важнейших философских и физических принципов – принципа причинности.
К тому же теория относительности встретилась с существенными трудностями при рассмотрении явления тяготения. Это явление не поддавалось объяснению. Потребовалась большая работа, чтобы преодолеть теоретические трудности. К 1916 г. А. Эйнштейн разработал «Общую теорию относительности!. Эта теория предусматривает более сложную структуру пространства-времени, которая оказывается зависимой от распределения и движения материальных масс. Общая теория относительности стала той основой, на которой в дальнейшем, стали строить модели нашей Вселенной. Но об этом позже.
В формировании общего взгляда на мир традиционно большую роль играла астрономия. Изменения, которые происходили в астрономии в XX в.. носили поистине революционный характер. Отметим некоторые из таких обстоятельств. Прежде всего, благодаря развитию атомной физики, астрономы узнали, почему светят звезды. Открытие и изучение мира элементарных частиц позволило астрономам построить теории, в которых раскрывается процесс эволюции звезд, галактик и всей Вселенной. Тысячелетиями существовавшие представления о неизменных звездах навсегда ушли в историю. Развивающаяся Вселенная – вот мир современной астрономии. Дело здесь не только в общефилософских принципах развития, но и в фундаментальных фактах, открывшихся человечеству в XX в., в создании новых общефизических теорий, прежде всего общей теории относительности, в новых приборах и новых возможностях наблюдений (радиоастрономия, внеземная астрономия) и, наконец, в том, что человечество осуществило первые шаги в космическое пространство.
На основе общей теории относительности стали разрабатываться модели нашей Вселенной. Первая такая модель была создана в 1917 г. самим Эйнштейном. Однако в дальнейшем было показано, что эта модель имеет недостатки и от нее отказались. Вскоре российский ученый А. А. Фридман (1888—1925) предложил модель расширяющейся Вселенной. Первоначально Эйнштейн отверг эту модель, так как посчитал, что в ней были ошибочные расчеты. Но в дальнейшем признал, что модель Фридмана в целом достаточно хорошо обоснована.
В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) открыл наличие так называемого красного смещения в спектрах галактик и сформулировал закон, позволяющий установить скорость движения галактик относительно Земли и расстояние до этих галактик. Так, оказалось, что спиральная туманность в созвездии Андромеды представляет собою галактику, по своим характеристикам близкую к той, в которой находится наша Солнечная система, и расстояние до нее относительно небольшое, всего лишь 2 млн. световых лет.
В 1960 г. был получен и проанализирован спектр радиогалактики, которая, как оказалось, удаляется от нас со скоростью 138 тысяч километров в секунду и находится на расстоянии 5 миллиардов световых лет. Изучение галактик привело к выводу о том, что мы живем в мире разбегающихся галактик, а какой-то шутник, вспомнив, по-видимому, модель Томсона, предложил аналогию с пирогом с изюмом, который находится в духовке и медленно расширяется, так что каждая изюмина-галактика удаляется от всех других. Впрочем, сегодня такая аналогия уже не может быть принята, так как компьютерный анализ результатов наблюдений галактик приводит к выводу о том, что в известной нам части Вселенной галактики образуют некоторую сетевую или ячеистую структуру. Причем распределение и плотности галактик в пространстве существенно отличаются от распределений и плотностей звезд внутри галактик. Так что, по-видимому, как галактики, так и их системы следует считать различными уровнями структурной организации материи.
Анализ внутренней взаимной связи между миром «элементарных» частиц и структурой Вселенной направил мысль исследователей и по такому пути: «А что было бы, если бы те или другие свойства элементарных частиц отличались от наблюдаемых?» Появилось множество моделей Вселенных, но, кажется, все они оказались одинаковыми в одном – в таких Вселенных нет условий для живого, похожего на тот мир живых, биологических существ, который мы наблюдаем на Земле и к которому сами принадлежим.
Возникла гипотеза «антропной» Вселенной. Это – наша Вселенная, последовательные этапы развития которой оказывались такими, что создавались предпосылки для возникновения живого. Таким образом, астрономия во второй половине XX в. призывает нас посмотреть на самих себя, как на продукт многомиллиарднолетнего развития нашей Вселенной. Наш мир – это лучший из миров, но не потому, что, согласно Библии. Бог создал его таким и увидел сам, что это хорошо, а потому, что в нем сформировались такие отношения внутри систем материальных тел, такие законы их взаимодействия и развития, что в отдельных частях этого мира могли сложиться условия для появления жизни, человека и разума. При этом целый ряд событий в истории Земли и Солнечной системы можно оценить как «счастливые случайности».