Однородность и изотропность пространства
Однородность пространства означает, что все точки его эквивалентны (неразличимы). В частности, если некоторая замкнутая система (устройство, изолированное от влияния остального мира) функционирует определенным образом в данном месте, то при параллельном переносе ее в другое место она будет функционировать точно так же.
Изотропность пространства означает, что все направления в пространстве эквивалентны. В частности, если в данном месте изменить ориентацию некоторой замкнутой системы как целого, то ее функционирование не изменится.
И наконец, утверждение относительно однородности времени означает, что все моменты времени эквивалентны. Если некоторая система сейчас функционирует определенным образом, то и через тысячу лет при прочих равных условиях она будет функционировать точно так же.
Подчеркнем, что речь идет не о свойствах абстрактного пространства и времени, а о наблюдаемых свойствах пространства и времени в конкретной, реализованной в виде кубической решетки из твердых стержней системе, в узлах которой размещены одинаковые часы. Утверждение «Существует инерциальная система отсчета» означает, что такая конструкция, обладающая описанными выше свойствами, в принципе возможна.
Возможна ли? Откуда следует существование инерциальных систем отсчета?
Законы природы не выводятся логически. Они обнаруживаются и формулируются в рамках определенной физической теории.
Исходным пунктом ньютоновской механики был постулат о существовании инерциальных систем отсчета, для которых и формулировались законы механики. Появившаяся позже теория электромагнитного поля основывалась на этом постулате.
Специальная теория относительности Эйнштейна, в рамках которой обнаружились и получили объяснение неожиданные свойства пространства и времени в инерциальных системах отсчета, завершила эту линию развития. Ничто, кроме гравитации, не противоречило принятию постулата об инерциальных системах.
Теорию гравитационного поля не удалось привести в соответствие с этим постулатом. Обнаружилось, что глобальных (неограниченных размеров) инерциальных систем не существует.
Но локальную (ограниченных размеров) систему отсчета, обладающую нужными свойствами, с любой указанной наперед точностью построить можно.
Помещение, в котором сейчас находитесь (или будете находиться через некоторое время), может являться системой отсчета. Инерциальна ли эта система?
Иначе говоря, однородно ли и изотропно пространство в пределах этой системы и однородно ли время? Ответ: нет.
Пространство, и это очевидно, не изотропно. И читатель ощущает это непосредственно, поскольку с закрытыми глазами может определить ориентацию своего тела в пространстве. Менее очевидно, что пространство неоднородно.
Часы на полу и потолке вашей комнаты идут в разном темпе, что можно заметить. И причину этого можно было бы искать во внешнем поле.
Действительно, например, стрелка компаса также ориентируется определенным образом, но ее ориентация не связывается со свойствами пространства, а свидетельствует о наличии магнитного поля. Выделенное направление (вертикаль) можно связать с гравитационным полем (так и делается в ньютоновской теории гравитации).
Но гравитационное поле отличается от электромагнитного (а других дальнодействующих полей физика не знает) тем, что оно действует одинаковым образом на все без исключения тела и от него нельзя заэкранироваться. В современной теории гравитации эта система отсчета считается неинерциальной, с чем и связаны отмеченные эффекты.
