Немного о теории относительности

Ньютон, прости меня. В свое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы.

А. Эйнштейн {105. с. 573)

 

Уже в первой работе по теории относительности “К электродинамике движущихся тела" Эйнштейн отмечает, что эта теория базируется на двух основных принципах, принимаемых в качестве исходных постулатов.

Первый постулат является обобщением принципа относительности Галилея на любые физические процессы. Второй постулат выражает принцип постоянства скорости света.

Следуя своей философской концепции о том, что теория должна вытекать из опыта, Эйнштейн ставит свет в особое положение - канонизирует его, считая, что свет относительно любых движущихся тел всегда имеет одну и ту же скорость. Мысль о таком особом положении света настолько овладевает Эйнштейном, что он возводит ее в закон постоянства скорости света, сформулированный им в работе “О принципе относительности” следующим образом; *..-Закон постоянства скорости света в пустоте должен выполняться для движущихся относительно друг друга наблюдателей таким образом, что один и тот же луч света имеет одну и ту же скорость относительно всех этих наблюдателей” (20, с. 37).

Этот закон становится важной основой для разработки специальной теории относительности (СТО).

Следует отметить, что сегодня в мире ученых отношение к СТО двоякое. Большая часть ученых считает специальную теорию относительности современной физической теорией пространства-времени (70. с. 55). Другая часть ученых относится к СТО крайне отрицательно, считая ошибочными закон постоянства скорости света и преобразования Лоренца, использованные в качестве математической основы этой теории (20, 22, 79).

Но два постулата, лежащие в основе СТО, несовместимы, поскольку, согласно принципу относительности Галилея, один и тот же луч света не может иметь одну и ту же скорость относительно наблюдателей, движущихся относительно друг друга.

Эйнштейн упорно ищет выход из создавшегося положения и находит его в пересмотре важнейших положений классической физики - абсолютности пространства и времени.

Опираясь на геометрию Римана и Лобачевского, Эйнштейн вводит понятия относительности пространства и времени, под которой понимается изменение размеров тела (пространства) и хода времени в разных системах отсчета. То есть, если пространство и время относительны, то размер единицы длины (например, метра) и длительность единицы времени (например, секунды) в подвижной и неподвижной системах отсчета имеют разные величины.

В работе “Что такое теория относительности?” Эйнштейн отмечает, что принципы относительности и постоянства скорости света являются непримиримыми, но “специальная теория относительности сумела их примирить ценой видоизменения кинематики, иначе говоря, ценой изменения физических представлений о пространстве и времени” (70, с. 60).

Ну как тут не вспомнить шутливое стихотворение неизвестного, к сожалению, автора.

 

Был мир земной кромешной тьмой окутан.

Да будет свет! И вот явился Ньютон!

Но сатана недолго ждал реванша:

Пришел Эйнштейн и стало все, как раньше.

 

Итак, в специальной теории относительности Эйнштейн обосновал новую кинематику, базирующуюся на относительности пространства и времени, благодаря чему ему удалось выдвинутый им закон постоянства скорости света подчинить принципу относительности.

Кроме того, в специальной теории относительности Эйнштейну удалось установить органическую связь между пространством и временем и объединить их в единый пространственно-временной континуум - “пространство-время”. Оказалось, что для описания физических процессов необходимо использовать четырехмерное пространство-время, положение точки в котором определяется тремя пространственными координатами X, Y, Z и временной координатой ct, где с = 300 000 км/с - скорость света в пустоте (70, с. 74). Геометрические свойства такого пространства-времени описываются геометрией Евклида.

Это положение специальной теории относительности не вызывает противоречивых суждений со стороны ученых.

Разработав специальную теорию относительности, Эйнштейн задумывается о том, как на новую научную базу поставить вопросы гравитации, то есть как разработать теорию гравитации (тяготения). Такая теория была им разработана в общей теории относительности (ОТО), называемой также теорией тяготения.

Закон всемирного тяготения Эйнштейна сформулирован так: движение масс вызывается искривлением пространства, искривление пространства вызывается населяющей его материей (105, с, 273).

Эйнштейн заменил бесконечную “плоскую ньютонову” Вселенную безграничной, но конечной Вселенной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как искривляется любая замкнутая поверхность.

Согласно теории тяготения, геометрические свойства пространства-времени зависят от распределения в пространстве тяготеющих масс и их движения. Подобно тому, как вокруг движущихся электрических зарядов создается электромагнитное поле, так в пространстве, окружающем всякое тело, создается поле тяготения.

Вся безграничная Вселенная наполнена телами, будь то гигантские звезды или мельчайшие частицы космической пыли. Массы этих тел (величина масс, их взаимное расположение, их относительное движение) создают поля тяготения, гравитационные поля, которые существуют и меняются в пространстве и времени, И свойства этих полей накладывают неизгладимый отпечаток на то пространство и то время, в котором они существуют. Тяготеющие массы искривляют четырехмерный мир пространства-времени, в котором движутся тела. В свою очередь, это искривленное пространство-время-поле тяготения определяет движение масс, их траекторию и их скорость.

Получается тесная взаимная связь: массы рождают поле, поле управляет движением, поведением масс.

Геометрия такого искривленного четырехмерного мира уже не будет евклидовой,

Таким образом, тела, создающие гравитационные поля, “искривляют" реальное трехмерное пространство и по-разному изменяют ход времени в различных его точках. Поэтому движение тела в поле тяготения оказалось возможным рассматривать как движение по инерции, но в искривленном пространстве-времени-

Подводя итоги, можно сказать, что Эйнштейн впервые показал глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства-времени с физическими проблемами гравитации. Ему удалось представить гравитационные поля через кривизну четырехмерного пространства-времени.

Своей выдающейся работой по теории относительности Эйнштейн разорвал путы, сковавшие механику. Теория относительности не отвергла механику Ньютона- Она отвела ей более скромное место науки, справедливой для движений, медленных по сравнению со скоростью распространения света.

На основании своей теории Эйнштейн предсказал два неизвестных ранее эффекта - искривление траектории светового луча в поле тяготения и уменьшение частоты света, проходящего вблизи больших масс, - и объяснил странности в смещении перигелия Меркурия. Эти эффекты теория тяготения Ньютона не объясняла. Когда эффекты, указанные Эйнштейном, были подтверждены экспериментально, общая теория относительности получила всеобщее признание.

“Создание ОТО представлялось мне тогда и представляется сейчас величайшим достижением человеческого мышления в познании природы, поразительным сочетанием философской глубины, физической интуиции и математического искусства”, - писал один на основателей квантовой механики Макс Борн (105, с. 286).

В теории относительности материальной средой, взаимодействующей с тяготеющими телами, является само Мировое пространство. Оно взяло на себя некоторые (но далеко не все) функции прежнего эфира. После того, как максвеллово понятие поля было распространено Эйнштейном и на гравитацию, физические поля приняли на себя обязанность передачи действия. Потребность в прежнем эфире исчезла, С появлением теории относительности поле стало первичной физической реальностью, а не следствием какой-то другой реальности.

Само свойство упругости, столь важное для эфира, оказалось у всех материальных тел связанным с электромагнитным взаимодействием частиц. Говоря иными словами, не упругость эфира давала основу электромагнетизму, а электромагнетизм служил основой упругости вообще.

Упругие свойства “пустого” пространства описываются десятью так называемыми вакуумными уравнениями Эйнштейна (110, с. 7), которые не содержат никаких констант и записаны в криволинейных координатах (23, с. 67). Позже академик Я. Б. Зельдович выскажет следующее предположение по поводу упругости пространства: "Вакуумные уравнения Эйнштейна описывают упругость пространства. Может быть эта упругость целиком определяется эффектами поляризации вакуума” (69. с. 103), Как показало время, Зельдович оказался прав.

Так что же, значит, мировая материальная среда стала физике не нужна? Значит, надо возвращаться к пустоте? Пожалуй, следует сказать так: эфир в свое время действительно придумали потому, что он был нужен; в начале XX века надобность в старом эфире со всем набором противоречивых свойств отпала; однако, как полагал сам творец теории относительности, некая вездесущая материальная среда все-таки должна была существовать и обладать определенными свойствами.

Позднее эту новую материальную среду Эйнштейн вновь предлагал назвать эфиром. В двадцатые годы нашего столетия, уже после публикации классических трудов по специальной и общей теории относительности Эйнштейн не раз повторял в статьях: “Эфир существует. Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира. ”Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами” (69, с, 56).

Но “континуум, наделенный физическими свойствами”, - это не прежний эфир, У Эйнштейна определенными (новыми для науки) физическими свойствами наделяется само пространство. Для общей теории относительности этого достаточно, никакая особая материальная среда сверх того в этом пространстве ей не нужна. В конце концов, общая теория относительности есть теория гравитации - не больше и не меньше. Однако само пространство с новыми физическими свойствами можно было бы вновь назвать эфиром.

Но в современной физике ^власть над миром” вместе с теорией относительности делит квантовая теория поля. Она же, со своей стороны, обнаружила в пространстве Эйнштейна весьма специфическую материальную среду с необычными свойствами. Материальная среда, общая для теории относительности и для квантовой теории поля, была названа физическим вакуумом. Наука не решилась снова вернуться к термину ”эфир”,

Итак, в начале XX века была принята в естествознании новая научная парадигма, содержательной базой которой являлись принцип относительности Эйнштейна, геометрия пространства Римана-Эйнштейна и универсальная материальная среда - физический вакуум.

В заключение стоит подчеркнуть, что ни одна другая теория не оказала такого революционного влияния на физику и науку в целом, как теория относительности Эйнштейна (по масштабам теорию Эйнштейна можно сравнить только с теорией Ньютона, заложившего основы современного естествознания). Отказавшись от привычных представлений, Эйнштейн предложил совершенно новые толкования пространства, времени и массы, что потребовало коренной перестройки основных понятий и идей,

Как любопытный факт, отметим, что Эйнштейн не получил Нобелевской премии ни за одну из своих работ по теории относительности. (В 1921 году он был удостоен Нобелевской премии за теорию фотоэффекта, опубликованную еще в 1905 году.) Это, несомненно, свидетельствует о том, что теория относительности показалась прежним нобелевским лауреатам, обсуждавшим новые кандидатуры, слишком радикальной (79, с. 428).

 

О квантовой механике

 

Те, кого первое знакомство с квантовой теорией не повергло в шок, скорее всего, вовсе ее не поняли.

Макс Борн

 

В начале XX века были обнаружены две группы явлений (казалось, не связанные между собой), свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики Максвелла к процессам, происходящим в атоме. Первая группа явлений была связана с установлением на опыте двойственной природы света - дуализмом света; вторая - с невозможностью на основе классических представлений объяснить существование устойчивых атомов, а также их оптические спектры,

Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их привели, в конечном счете, к открытию законов квантовой механики.

Впервые понятие кванта было введено немецким физиком М. Планком в 1900 году. Исходя из результатов экспериментов, он высказал идею о том, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями-квантами. Позднее, развивая идею Планка, Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету; свет состоит из отдельных порций - световых квантов, позднее названных фотонами. Кроме того, Эйнштейн обосновал идею квантования энергии - деление энергии на порции(18,с.254),

В 1922 году американский физик А. Комптон экспериментально доказал, что свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, то есть свет является одновременно и волной, и частицей. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать свет волной, а для объяснения других явлений - корпускулой. "Фундаментальные физические сущности микромира - частицы и волны - выявили невиданную ранее в опытах способность заявлять о себе лишь в момент их наблюдения, проявляясь или как волна, или как частица” (35, с. 4). И по существу именно разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме, по которой не только фотоны, но и все “обыкновенные частицы” (протоны, нейтроны, электроны и т. д.) также обладают волновыми свойствами. Позднее эта гипотеза была подтверждена экспериментально, Австрийский физик Э. Шредингер в 1926 году вывел уравнение, описывающее поведение таких “волн” во внешних силовых полях. Так возникла волнован механика, а уравнение Шредингера явилось основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. А в основу релятивистской квантовой механики легло релятивистское уравнение, описывающее движение электрона во внешнем силовом поле, полученное английским физиком П. Дираком двумя годами позже.

Окончательное формирование квантовой механики •как последовательной теории произошло после появления работ В. Гейзенберга о принципе неопределенности и Н, Бора о принципе дополнительности.