Теория относительности и релятивизм. (три вопроса вместе)

Специальная (частная) теория относительности была создана в начале XX века благодаря работам А. Эйнштейна, Х. Лоренца, А. Пуанкаре, Дж. Лармора, Дж. Фицджеральда, Г. Минковского и ряда других ученых. Она возникла в результате преодоления принципиальных трудностей, с которыми столкнулись электродинамика и оптика движущихся тел. Для преодоления этих трудностей ученым пришлось отказаться от гипотезы о существовании мирового эфира Основные положения специальной теории относительности (СТО) были изложены А. Эйнштейном в 1905 году в работе «К электродинамике движущихся сред». В основе СТО лежат два постулата:
1. Принцип относительности А. Эйнштейна: все физические явления (механические, оптические, электромагнитные и любые другие) при одинаковых начальных условиях протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета (ИСО).
2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО.
Второй постулат СТО связан с попытками ученых обнаружить движение Земли относительно мирового эфира (эфирный ветер). Такую попытку, в частности, предприняли А. Майкельсон и Э. У. Морли в 1887 году.. Для этого они использовали интерферометр – прибор, работа которого основана на явлении интерференции света. Эфирный ветер должен был приводить к смещению интерференционной картины на 0,4 полосы при повороте интерферометра на 90 градусов. Обнаружение движения тел (в частности, Земли) относительно мирового эфира означало бы существование в природе особенной, абсолютной системы отсчета, связанной с эфиром. Тогда движение всех остальных систем отсчета можно было бы рассматривать по отношению к этой абсолютной системе отсчета. Эфирный ветер Майкельсону и Морли обнаружить не удалось (никакого смещения интерференционной картины при повороте интерферометра не происходило). Из опыта Майкельсона и Морли следовало также, что скорость света в вакууме не зависит от движения источников и приемников света, т. е. одинакова во всех ИСО (отсюда и второй постулат СТО). Более того, скорость света в вакууме c является предельной скоростью. Никакой сигнал, никакое воздействие тел друг на друга не могут распространяться со скоростью, превышающей значение с=300.000 км/с.
Первый постулат СТО является обобщением принципа относительности Г. Галилея, который относился только к механическим явлениям и указывал на то, что законы механики одинаковы для всех ИСО. По мысли Эйнштейна отрицательный результат опыта Майкельсона и Морли по обнаружению эфирного ветра свидетельствует о том, что мирового эфира не существует, следовательно, не существует и абсолютной системы отсчета, связанной с ним. Значит, все инерциальные системы отсчета равноправны, и не только в отношении законов механики, но и законов физики вообще. Поэтому принцип относительности Эйнштейна (первый постулат СТО) утверждает, что все физические законы одинаково формулируются для всех ИСО. Следовательно, уравнения, выражающие эти законы, должны оставаться неизменными (инвариантными) при переходе от одной ИСО к другой, т. е. при преобразованиях координат и времени.

Релятивизм (от лат. relativus — относительный) — методологический принцип, состоящий в метафизической абсолютизации относительности и условности содержания познания.

 

Релятивизм проистекает из одностороннего подчёркивания постоянной изменчивости действительности и отрицания относительной устойчивости вещей и явлений. Гносеологические корни релятивизма — отказ от признания преемственности в развитии знания, преувеличение зависимости процесса познания от его условий (например, от биологических потребностей субъекта, его психического состояния или наличных логических форм и теоретических средств). Факт развития познания, в ходе которого преодолевается любой достигнутый уровень знания, релятивисты рассматривают как доказательство его неистинности, субъективности, что приводит к отрицанию объективности познания вообще, к агностицизму.

 

Релятивизм как методологическая установка восходит к учению древнегреческих софистов: из тезиса Протагора «человек есть мера всех вещей…» следует признание основой познания только текучей чувственности, не отражающей каких-либо объективных и устойчивых явлений.

 

Элементы релятивизма характерны для античного скептицизма: обнаруживая неполноту и условность знаний, зависимость их от исторических условий процесса познания, скептицизм преувеличивает значение этих моментов, истолковывает их как свидетельство недостоверности всякого знания вообще.

 

Аргументы релятивизма философы XVI—XVIII веков (Эразм Роттердамский, М. Монтень, П. Бейль) использовали для критики догматов религии и основоположений метафизики. Иную роль релятивизм играет в идеалистическом эмпиризме (Дж. Беркли, Д. Юм; махизм, прагматизм, неопозитивизм). Абсолютизация относительности, условности и субъективности познания, вытекающая из сведения процесса познания к эмпирическому описанию содержания ощущений, служит здесь обоснованием субъективизма.

 

Тео́рия относи́тельности — термин, введённый в 1906 году Максом Планком с целью показать, как специальная теория относительности (и, позже, общая теория относительности) использует принцип относительности. Иногда используется как эквивалент понятия «релятивистская физика»

Теория относительности применяется в физике и астрономии начиная с XX века. Впервые новая теория заменила 200-летнюю механику Ньютона. Это в корне изменило восприятие мира.

 

Ньютоновские понятия о движении были опровергнуты или кардинально скорректированы посредством нового достаточно глубокого применения принципа относительности движения. Время уже не было абсолютным (а начиная с ОТО — и равномерным).

 

Более того, Эйнштейн изменил фундаментальные взгляды на время и пространство. Согласно теории относительности время необходимо воспринимать как почти равноправную составляющую (координату) пространства-времени, которая может смешиваться в преобразовании координат при смене (изменении скорости движения) системы отсчета с обычными пространственными координатами, подобно тому, как смешиваются друг с другом пространственные координаты в преобразовании их при повороте осей обычной трехмерной системы координат.

Теория относительности значительно расширила понимание физики в целом, а также существенно углубила знания в области физики элементарных частиц, дав мощнейший импульс и серьёзные новые теоретические инструменты для развития физики, значение которого трудно переоценить.

С помощью данной теории космология и астрофизика сумела предсказать такие чрезвычайные явления, как нейтронные звезды, черные дыры и гравитационные волны.

 

Специальная, или частная теория относительности — это теория структуры пространства-времени. Впервые была представлена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в работе «К электродинамике движущихся тел». Теория описывает движение, законы механики, а также пространственно-временные отношения, определяющие их, при скоростях движения, близких к скорости света. Классическая механика Ньютона в рамках специальной теории относительности является приближением для малых скоростей.

 

Большинство парадоксальных и противоречащих интуитивным представлениям о мире эффектов, возникающих при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывается именно специальной теорией относительности. Самый известный из них — эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для него медленнее, чем точно такие же часы у него в руках.

 

Время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается, а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления движения — напротив, сжимается. Этот эффект, известный как сокращение Лоренца—Фицджеральда, был описан в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом (George Fitzgerald, 1851–1901) и дополнен в 1892 году нидерландцем Хендриком Лоренцем (Hendrick Lorentz, 1853–1928). Сокращение Лоренца—Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона—Морли по определению скорости движения Земли в космическом пространстве посредством замеров «эфирного ветра» дал отрицательный результат. Позже Эйнштейн включил эти уравнения в специальную теорию относительности и дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела также увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света. Так, при скорости 260 000 км/с (87% от скорости света) масса объекта с точки зрения наблюдателя, находящегося в покоящейся системе отсчета, удвоится.

 

Со времени Эйнштейна все эти предсказания, сколь бы противоречащими здравому смыслу они ни казались, находят полное и прямое экспериментальное подтверждение. В одном из самых показательных опытов ученые Мичиганского университета поместили сверхточные атомные часы на борт авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, и после каждого его возвращения в аэропорт приписки сверяли их показания с контрольными часами. Выяснилось, что часы на самолете постепенно отставали от контрольных все больше и больше (если так можно выразиться, когда речь идет о долях секунды). Последние полвека ученые исследуют элементарные частицы на огромных аппаратных комплексах, которые называются ускорителями. В них пучки заряженных субатомных частиц (таких как протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем ими обстреливаются различные ядерные мишени. В таких опытах на ускорителях приходится учитывать увеличение массы разгоняемых частиц — иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации. И в этом смысле специальная теория относительности давно перешла из разряда гипотетических теорий в область инструментов прикладной инженерии, где используется наравне с законами механики Ньютона.

 

Возвращаясь к законам Ньютона, я хотел бы особо отметить, что специальная теория относительности, хотя она внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона, если ее применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть, специальная теория относительности не отменяет ньютоновской физики, а расширяет и дополняет ее.

 

Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в этой модели строения мира — этот вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы, потому что она определена естественнонаучным законом. В силу принципа относительности скорость света в вакууме c одинакова в любой системе отсчета. Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно. Однако это так.

 

Благодаря своей особой роли в законах природы скорость света занимает центральное место и в общей теории относительности.