Сто или специальная теория относительности.

Устранение гипотезы эфира. Физики были убеждены в том, что самой развитой теорией в физике стала элек­тродинамика Максвелла. Эксперименты подтвердили ее, но это коснулось не всех ее идей. Все опыты указали на существование электромагнитных волн, но они ничего «не сказали» об эфире. Дан­ное представление пришло из эмпирического здравого смысла, со­гласно которому любые волны распространяются в определенной вещественной среде.   Если речь идет об электромагнитных волнах, то единственный кандидат на мировую среду для них – это эфир (уже древние натурфилософы представляли его в виде чрезвычайно тонкой вещественной среды, заполняющей все космическое пространство). Поскольку электродинамика сочеталась с механикой, где фигурировало абсолютное пространство, то естественно сложилось представление о том, что эфир заполняет все мировое пространство. Эфир и абсолютное пространство оказались тождественными друг другу. Однако идея эфира прямых свидетельств не имела. Кроме того, в электродинамике эфир приобрел взаимоис­ключающие свойства. Поскольку он заполняет все пространство, то он должен быть полностью разреженным, проницаемым и пла­неты должны двигаться сквозь него без трения. С другой стороны, скорость распространения электромагнитных волн чрезвычайно велика и эфир должен быть очень твердым: чем тверже тело, тем быстрее движутся в нем волны. Такая модель противоречива и по научным нормам проблематична. Но, несмотря на это, эфир про­должал выполнять важные функции - он стал мировым простран­ством и в силу своей неподвижности превратился в абсолютную систему координат.

Уникальные опыты не обнаруживают эфир. Американский фи­зик А. А. Майкельсон (1852-1931) и его сотрудник Э. У. Морли ре­шили экспериментально проверить гипотезу эфира. Они исходили из предположения Френеля о том, что Земля при своем движении увлекает только ту часть эфира, которая находится внутри плане­ты. Если этот эфир покоится относительно Земли, то относительно другого, внешнего эфира она движется. Если послать луч света к зеркалу, то движение Земли вокруг Солнца должно влиять на время распространения луча так же, как течение реки действует на движение лодки. В случае ее движения против течения время прохождения пути увеличивается. Но такой чувствительный прибор, как интерферометр, не показал никаких признаков «задержки» луча света. Опыт намекал, что эфира как аб­солютного пространства не существует. И все же сам научный опыт в силу своей сложности не способен дать окончательный приговор теоретической гипотезе.

Понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Их в свое время ввел Ньютон, связав их с Богом. Абсолютное пространство и время не зависят от материальных тел и друг от друга. В силу своей неподвижности Бог выступает абсо­лютным или инерциальным наблюдателем, по отношению к кото­рому совершенно точно действует закон инерции. Отсюда и люди могут быть инерциальными наблюдателями, с каждым из них свя­зана инерциальная система отсчета. Эти системы сохраняют состо­яние покоя или равномерного и прямолинейного движения в абсо­лютном пространстве и времени. При всех изменениях относитель­ного пространства и времени (координаты х, у, z, t) законы меха­ники остаются неизменными. Для теоретической механики данные абстракции стали необходимыми идеальными объектами.

 

Преобразования Лоренца. В механике Ньютона существуют про­стые преобразования, переводящие одну систему отсчета в другую. В электродинамике дело усложнилось в связи с изучением влия­ния движущихся тел на электромагнитные процессы. Оказалось, что при переходе от одной системы отсчета к другой нужно в урав­нения Максвелла вводить новые члены, ибо скорость здесь не со­храняется. Голландский физик Г.А. Лоренц (1853—1928) предложил сохранить в неизменном виде основные уравнения теории, изме­нив формулы перехода.

Устранение эфира. Основной вклад в решение данных проблем внес А. Эйнштейн. Он хорошо усвоил урок Маха – изгонять из физики абсолюты, пришедшие в нее извне. Таким аб­солютом стал эфир. Его противоречивые свойства и отрицательный результат опыта Майкельсона говорили о том, что эфир является фикцией. И в 1905 г. Эйнштейн решительно отказывается от эфира.

Пр инципы относительности и предельности скорости с вета.  Французский ученый А. Пуанкаре (1854-1912) и А. Эйнштейн заметили существенное расхождение между идеями механики и электродинамики. В теоретической динамике Галилей и Ньютон утвердили принцип относительности (в механическом движении все тела равноправны). Электродинамика же признала эфир в качестве абсолютного тела, что противоречит принципу относительности. Эту ситуацию Эйнштейн оценил как проблемную, требующую радикальных изменений. В качестве основного метода ученый взял принцип относи­тельности в его универсальном виде: все электромагнитные явле­ния должны зависеть только от относительного движения источ­ников света и материальных тел, включая приборы. Из опытов было уже известно, что скорость света не зависит от движения источни­ков света и сохраняет свою величину. Это эмпирическое обобще­ние Эйнштейн превратил в теоретический постулат постоянства скорости света. Два данных принципа и стали методом исследования. 

    Физическое пространство и время требуют измерения. Что такое одновременность событий, происходящих в разных местах?В ньютоновской физике, основанной на абсолютном времени, события одновременны сразу во всех точках пространства. Здесь предполагается мгновенное дальнодействие и как угодно большая скорость сигнала. Эйнштейн предполагает мысленный эк­сперимент установления одновременности двух событий, происхо­дящих в разных точках пространства. Для достижения синхроннос­ти помещенных в них часов используются световые сигналы. И пос­кольку скорость света велика, но конечна, то два наблюдателя, дви­жущиеся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, должны по-разному оценить одновременность двух событий. Зна­чит, понятие одновременности относительное.

Локальность пространства и времени. В теории Эйнштейна раз­меры тел и промежутки времени потеряли постоянный и вечный характер. Они приобрели смысл относительных величин, завися­щих от относительного движения тел и измерительных инструмен­тов. Тем самым, в центре внимания оказалось не мировое простран­ство, а местная и ограниченная (локальная) длина, не космическое время, а локальное время, доступное для измерения.

Вз аимосвязь изменчивых масс и энергий. Эйнштейн получил реляти
вистскую формулу сложения скоростей. Но самое необычайное следствие касается массы движущегося тела. Оказалось, что она является также относительной величиной, завися­щей от скорости.   Приращение массы проис­ходит за счет кинетической энергии: чем больше скорость движе­ния тела, тем больше добавка к массе покоя. Эйнштейн показал, что когда тело покоится, то его энергия Е₀ выражается формулой: Е₀=m₀с². Полная же энергия Е, учитывающая движение, соответ­ствует полной массе: Е = Мс². Эквивалентность массы и энергии нередко трактуется как пре­вращение массы в энергию. Это представление не является точным. Энергия и масса взаимосвязаны, зависят друг от друга (одно есть мера другого), но друг в друга они не могут превращаться, ибо пред­ставляют разные уровни природы. Трансформации происходят на своих, родственных уровнях. Так, микрочастицы вещества перехо­дят в фотоны электромагнитного поля, таков уровень видов физи­ческой материи. Соответственно, масса вещества, где основу со­ставляет масса покоя, превращается в массу чистого движения. И, наконец, энергия вещества трансформируется в энергию элек­тромагнитного поля. Стало быть, мысль о превращении массы в энергию вуалирует превращения на трех уровнях.

Континуум «пространство – время». Главный вывод специальной теории относительности (СТО) со­стоял в том, что физическое пространство и время взаимосвязаны и образуют единство. Их разделение должно иметь сугубо относительный харак­тер. То, что СТО является теорией пространства-времени, хорошо подчеркнул швейцарский теоретик Г. Минковский (1864 — 1909). Он разработал соответствующий математический аппарат с поня­тием четырехмерного многообразия, где к трем пространственным координатам добавилось время.

 СТО указывает на неустранимую активность ученого. СТО возникла в результате совместных усилий ученых – Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна, Минковского. И все же она вызвала у ученых неодноз­начную мировоззренческую оценку. СТО разительно отличалась от классической физики. Если в последней законы рассматрива­лись безотносительно к ученому и его приборам, то в теории отно­сительности ключевую роль играет наблюдатель, действующий ли­нейкой и часами. Означало ли это, что Эйнштейн внес в физику субъективистский эмпиризм Маха? Отнюдь, нет! По мнению ученого, «вера в существование внешнего мира, независимо от воспринимающего субъекта, лежит в основе естествознания». Дело в том, что физик познает мир на основе экспериментальной прак­тики. Классическая физика не учитывала активность ученого, его влияние на результаты познания. И на первых порах, когда такое влияние было минимальным и несущественным (крупномасштаб­ные объекты и малые скорости), идеализированный образ науки как объективного «созерцания» был оправданным. Создавая же СТО, Эйнштейн понял, что при изучении света и других объектов, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света, не­льзя уже игнорировать практическую сущность познания. Научная теория должна указывать на способ действия ученого, на его при­боры и теоретические предпосылки. Эта новая методологическая идея найдет свое дальнейшее развитие в квантовой физике. Кро­ме того, она существенно повлияла на философскую теорию поз­нания.

2. ОТО или общая теория относительности.

  Эквивалентность инерциальной и гравитационной масс. Эйнштейн решил не останавливаться на полпути и стал размыш­лять над распространением СТО на системы отсчета, движущиеся относительно друг друга ускоренно. В 1907 г., когда он еще работал в Бернском патентном бюро, ему в голову пришла замечательная догадка. В классической механике был известен факт эквивалентности инертной и гравитационной масс. Поскольку любая энергия обладает инертной массой, то, как соот­носится гравитация с электромагнитными явлениями и светом, в частности? Исследуя данную проблему мысленными эксперимен­тами, ученый пришел к принципу эквивалентности инерциаль­ной и гравитационной масс. Он означал, что наблюдатель в грави­тационном поле будет испытывать то же, что и наблюдатель, нахо­дящийся в пространстве, полностью экранированным от гравита­ции, но движущийся с ускорением свободного падения.

    Неевклидовый характер пространства - времени. Другой аспект новой теории был связан с переосмысливанием пространства - времени. Уже в XIX в. создатели неевклидовых гео­метрий (Риман, Лобачевский и др.) полагали, что они учитывают влияние материи на пространство. Эйнштейн развивает эту идею и приходит к выводу о том, что любая масса как бы «деформирует» вокруг себя пространство-время. Отсюда все движущиеся в дан­ной области тела, включая свет, следуют по искривленным траек­ториям, или геодезическим (по кратчайшим путям, подобным ли­ниям на реальной поверхности Земли). Гравитация здесь как осо­бая сила исключается, потому что сама геометрия пространства - времени учитывает распределение материи. Для такой геометрии Эйнштейн нашел соответствующий математический аппарат в виде тензорного анализа. В нем все законы сохраняли вид при переходе от одной системы координат к другой.

Эмпирические подтверждения. Новая теория объяснила ранее непонятный факт смещения пе­ригелия (точки планетной орбиты, ближайшей к Солнцу) Мерку­рия. Кроме того, она предсказала два новых факта. Свет звезды должен отклоняться вблизи Солнца на строго определенную вели­чину (1,75"). Наблюдения, произведенные во время солнечного за­тмения в 1919 г., подтвердили предсказание Эйнштейна.

Эйнштейн предсказал еще одно явление. Атомы газов при на­гревании испускают световое излучение нескольких частот. Из общей теории относительности (ОТО) следовало, что частоты из­лучения атомов, находящихся в разных областях гравитационного поля Солнца, должны отличаться от частот, на которых излучают те же атомы на Земле. Для земных наблюдателей излучение ато­мов, находящихся вблизи Солнца, будет казаться краснее, т.е. все длины волн сдвинутся к красному концу спектра. Это красное сме­щение было обнаружено.    

ОТО предпочитает философию Декарта. В идейном отношении ОТО реализовала программу Декарта. Если пространство является единственным универсальным и фундаментальным свойством материи, то все ее теории должны быть некоторыми геометриями. Конечно, у Эйнштейна фигурирует не­обычное пространство: неевклидово четырехмерное простран­ство – время, которое трудно представить наглядно. И все же ОТО являет собой физико-математическую геометрию. Последующие успехи этой теории в космологии привели к утверждению стиля «геометризации» в этом разделе физики.

 3. Квантовая концепция.

Статистическая физика убедительно показала, что глубинные основания макроявлений следует искать в области атомов. Ис­следования в этом направлении дали научную революцию в виде квантовой концепции.