Принцип относительности в современном естествознании. Симметрия
1. Специальная теория относительности.
2. Общая теория относительности.
3. Современная критика СТО и ОТО в связи с проблемами научного метода и «смены парадигм» в естествознании.
4. Симметрия, виды симметрии в природе. Роль симметрии в организации мира.
1.
Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законымеханики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.
Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, —релятивистскими скоростями. Основным отличием СТО от классической механики является зависимость (наблюдаемых) пространственных и временных характеристик от скорости.
Центральное место в специальной теории относительности занимают преобразования Лоренца, которые позволяют преобразовывать пространственно-временные координаты событий при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.
Специальная теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном в работе 1905 года «К электродинамике движущихся тел». Несколько ранее к аналогичным выводам пришел А. Пуанкаре, который впервые назвал преобразования координат и времени между различными системами отсчёта «преобразования Лоренца».[1]
Создание СТО[править | править исходный текст]
Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики [2]. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. В электродинамике Максвелла скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя, и равнаскорости света. Таким образом, уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея, что противоречило классической механике.
Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных [3] (см. История теории относительности). Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимостьскорости света от направления (изотропность) и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.
При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.
Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является верной теорией в своей области применимости[4] (см. Экспериментальные основания СТО). По меткому замечанию Л. Пэйджа, «в наш век электричества вращающийся якорь каждого генератора и каждого электромотора неустанно провозглашает справедливость теории относительности — нужно лишь уметь слушать»[5].
Основные понятия и постулаты СТО[править | править исходный текст]
Специальная теория относительности, как и любая другая физическая теория, может быть сформулирована на базе из основных понятий и постулатов (аксиом) плюс правила соответствия её физическим объектам.
Основные понятия[править | править исходный текст]
Система отсчёта представляет собой некоторое материальное тело, выбираемое в качестве начала этой системы, способ определения положения объектов относительно начала системы отсчёта и способ измерения времени. Обычно различают системы отсчёта и системы координат. Добавление процедуры измерения времени к системе координат «превращает» её в систему отсчёта.
Инерциальная система отсчёта (ИСО) — это такая система, относительно которой объект, не подверженный внешним воздействиям, движется равномерно и прямолинейно. Постулируется, что ИСО существуют, и любая система отсчёта, движущаяся относительно данной инерциальной системы равномерно и прямолинейно, также является ИСО.
Событием называется любой физический процесс, который может быть локализован в пространстве, и имеющий при этом очень малую длительность. Другими словами, событие полностью характеризуется координатами (x, y, z) и моментом времени t. Примерами событий являются: вспышка света, положение материальной точки в данный момент времени и т. п.
Обычно рассматриваются две инерциальные системы S и S'. Время и координаты некоторого события, измеренные относительно системы S, обозначаются как (t, x, y, z), а координаты и время этого же события, измеренные относительно системы S', как (t', x', y', z'). Удобно считать, что координатные оси систем параллельны друг другу, и система S' движется вдоль оси x системы S со скоростью v. Одной из задач СТО является поиск соотношений, связывающих (t', x', y', z') и (t, x, y, z), которые называются преобразованиями Лоренца.
Синхронизация времени[править | править исходный текст]
В СТО постулируется возможность определения единого времени в рамках данной инерциальной системы отсчёта. Для этого вводится процедура синхронизации двух часов, находящихся в различных точках ИСО [6]. Пусть от первых часов в момент времени ко вторым посылается сигнал (не обязательно световой) с постоянной скоростью . Сразу по достижении вторых часов (по их показаниям в момент времени ) сигнал отправляется обратно с той же постоянной скоростью и достигает первых часов в момент времени . Часы считаются синхронизированными, если выполняется соотношение .
Предполагается, что такая процедура в данной инерциальной системе отсчёта может быть проведена для любых неподвижных относительно друг друга часов, так что справедливо свойство транзитивности: если часы A синхронизованы с часами B, а часы B синхронизованы с часами C, то часы A и C также окажутся синхронизованными.
В отличие от классической механики, единое время можно ввести только в рамках данной системы отсчёта. В СТО не предполагается, что время является общим для различных систем. В этом состоит основное отличие аксиоматики СТО от классической механики, в которой постулируется существование единого (абсолютного) времени для всех систем отсчёта.
Согласование единиц измерения[править | править исходный текст]
Чтобы измерения, выполненные в различных ИСО, можно было между собой сравнивать, необходимо провести согласование единиц измерения между системами отсчёта. Так, единицы длины могут быть согласованы при помощи сравнения эталонов длины в перпендикулярном направлении к относительному движению инерциальных систем отсчёта[7]. Например, это может быть кратчайшее расстояние между траекториями двух частиц, движущихся параллельно осям x и x' и имеющих различные, но постоянные координаты (y, z) и (y',z'). Для согласования единиц измерения времени можно использовать идентично устроенные часы, например, атомные.
Постулаты СТО[править | править исходный текст]
В первую очередь в СТО, как и в классической механике, предполагается, что пространство и время однородны, а пространство также изотропно. Если быть более точным (современный подход) инерциальные системы отсчета собственно и определяются как такие системы отсчета, в которых пространство однородно и изотропно, а время однородно. По сути существование таких систем отсчета постулируется.
Постулат 1 (принцип относительности Эйнштейна). Любое физическое явление протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Это означает, что форма зависимости физических законов от пространственно-временных координат должна быть одинаковой во всех ИСО, то есть законы инвариантны относительно переходов между ИСО. Принцип относительности устанавливает равноправие всех ИСО.
Учитывая второй закон Ньютона (или уравнения Эйлера-Лагранжа в лагранжевой механике), можно утверждать, что если скорость некоторого тела в данной ИСО постоянна (ускорение равно нулю), то она должна быть постоянна и во всех остальных ИСО. Иногда это и принимают за определение ИСО.
Формально, принцип относительности Эйнштейна распространил классический принцип относительности (Галилея) с механических на все физические явления. Однако, если учесть, что во времена Галилея физика заключалась собственно в механике, то и классический принцип тоже можно считать распространяющимся на все физические явления. В том числе он должен распространятся и на электромагнитные явления, описываемые уравнениями Максвелла. Однако, согласно последним (и это можно считать эмпирически установленным, так как уравнения выведены из эмпирически выявленных закономерностей), скорость распространения света является определённой величиной, не зависящей от скорости источника (по крайней мере в одной системе отсчёта). Принцип относительности в таком случае говорит, что она не должна зависеть от скорости источника во всех ИСО в силу их равноправности. А значит, она должна быть постоянной во всех ИСО. В этом заключается суть второго постулата:
Постулат 2 (принцип постоянства скорости света). Скорость света в «покоящейся» системе отсчёта не зависит от скорости источника.
Принцип постоянства скорости света противоречит классической механике, а конкретно - закону сложения скоростей. При выводе последнего используется только принцип относительности Галилея и неявное допущение одинаковости времени во всех ИСО. Таким образом, из справедливости второго постулата следует, что время должно бытьотносительным - неодинаковым в разных ИСО. Необходимым образом отсюда следует и то, что "расстояния" также должны быть относительны. В самом деле, если свет проходит расстояние между двумя точками за некоторое время, а в другой системе - за другое время и притом с той же скоростью, то отсюда непосредственно следует, что и расстояние в этой системе должно отличаться.
Необходимо отметить, что световые сигналы, вообще говоря, не требуются при обосновании СТО. Хотя неинвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Галилеяпривела к построению СТО, последняя имеет более общий характер и применима ко всем видам взаимодействий и физических процессов. Фундаментальная константа , возникающая в преобразованиях Лоренца, имеет смысл предельной скорости движения материальных тел. Численно она совпадает со скоростью света, однако этот факт, согласно современной квантовой теории поля (уравнения которой изначально строятся как релятивистски инвариантные) связан с безмассовостью электромагнитных полей. Даже если бы фотонимел отличную от нуля массу, преобразования Лоренца от этого бы не изменились. Поэтому имеет смысл различать фундаментальную скорость и скорость света [8]. Первая константа отражает общие свойства пространства и времени, тогда как вторая связана со свойствами конкретного взаимодействия.
В связи с этим второй постулат следует формулировать как существование предельной (максимальной) скорости движения. По своей сути она должна быть одинаковой во всех ИСО, хотя бы потому, что в противном случае различные ИСО не будут равноправны, что противоречит принципу относительности. Более того, исходя из принципа "минимальности" аксиом, можно сформулировать второй постулат просто как существование некоторой скорости, одинаковой во всех ИСО, а после вывода соответствующих преобразований - показать, что это предельная скорость (потому, что подстановка в эти формулы скоростей больше этой скорости приводит к мнимости координат).
2.
О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах.[1][2] В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся впространстве-времени, а деформацией самого́ пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.
ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности[3]. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включаягравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно,гравитационное излучение[4]. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр[5].
Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообщесингулярностей пространства-времени. Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.
Основные принципы общей теории относительности[править | править исходный текст]
Необходимость модификации Ньютоновской теории гравитации[править | править исходный текст]
Классическая теория тяготения Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с понятием поля в современной физике. В теории относительности никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.
Математически сила гравитации Ньютона выводится из потенциальной энергии тела в гравитационном поле. Потенциал гравитации, соответствующий этой потенциальной энергии, подчиняется уравнению Пуассона, которое не инвариантно при преобразованиях Лоренца. Причина неинвариантности заключается в том, что энергия в специальной теории относительности не является скалярной величиной, а переходит во временну́ю компоненту 4-вектора. Векторная же теория гравитации оказывается аналогичной теорииэлектромагнитного поля Максвелла и приводит к отрицательной энергии гравитационных волн, что связано с характером взаимодействия: одноимённые заряды (массы) в гравитации притягиваются, а не отталкиваются, как в электромагнетизме[6]. Таким образом, теория гравитации Ньютона несовместима с фундаментальным принципом специальной теории относительности — инвариантностью законов природы в любой инерциальной системе отсчёта, а прямое векторное обобщение теории Ньютона, впервые предложенное Пуанкаре в 1905 году в его работе «О динамике электрона»[7], приводит к физически неудовлетворительным результатам.
Эйнштейн начал поиск теории гравитации, которая была бы совместима с принципом инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.
Принцип равенства гравитационной и инертной масс[править | править исходный текст]
В нерелятивистской механике существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть связанными, а тем более — пропорциональными друг другу. Однако их экспериментально установленная строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу.
Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс называют слабым принципом эквивалентности. Идея принципа восходит к Галилею, и в современной форме он был выдвинут ещё Исааком Ньютоном, а равенство масс было проверено им экспериментально с относительной точностью 10−3. В конце XIX века более тонкие эксперименты провёл фон Этвёш[8], доведя точность проверки принципа до 10−9. В течение XX века экспериментальная техника позволила подтвердить равенство масс с относительной точностью 10−12—10−13(Брагинский[9], Дикке[10] и т. д.).
Принцип движения по геодезическим линиям[править | править исходный текст]
Если гравитационная масса точно равна инерционной, то в выражении для ускорения тела, на которое действуют лишь гравитационные силы, обе массы сокращаются. Поэтому ускорение тела, а следовательно, и его траектория не зависит от массы и внутреннего строения тела. Если же все тела в одной и той же точке пространства получают одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами тел, а со свойствами самого́ пространства в этой точке.
Таким образом, описание гравитационного взаимодействия между телами можно свести к описанию пространства-времени, в котором двигаются тела. Естественно предположить, как это и сделал Эйнштейн, что тела движутся по инерции, то есть так, что их ускорение в собственной системе отсчёта равно нулю. Траектории тел тогда будут геодезическими линиями, теория которых была разработана математиками ещё в XIX веке.
Сами геодезические линии можно найти, если задать в пространстве-времени аналог расстояния между двумя событиями, называемый по традиции интервалом или мировой функцией. Интервал в трёхмерном пространстве и одномерном времени (иными словами, в четырёхмерном пространстве-времени) задаётся 10 независимыми компонентами метрического тензора. Эти 10 чисел образуют метрику пространства. Она определяет «расстояние» между двумя бесконечно близкими точками пространства-времени в различных направлениях. Геодезические линии, соответствующие мировым линиям физических тел, скорость которых меньше скорости света, оказываются линиями наибольшего собственного времени, то есть времени, измеряемого часами, жёстко скреплёнными с телом, следующим по этой траектории.
Современные эксперименты подтверждают движение тел по геодезическим линиям с той же точностью, как и равенство гравитационной и инертной масс.
3.
Специальная теория относительности (СТО) Альберта Эйнштейна, как никакая другая, получила удивительно мощный резонанс в широких кругах общественности, даже весьма далеких от науки. В то же время она разделила научный мир на своих непоколебимых апологетов и непримиримых противников. От момента ее создания в 1905 году до официального признания ждать долго не пришлось, значительно меньше, чем это потребовалось теории тяготения Ньютона. Эйнштейн был назван гением за создание СТО, хотя нобелевскую премию получил за существенно более скромную работу по объяснению фотоэффекта. Говоря об официальном признании теории относительности, я имею в виду, что ее поддержали многие видные ученые, она вошла в вузовские курсы, учебники и справочники по физике, ее выводы были использованы в других научно-технических проектах и исследованиях, а также то весьма любопытное обстоятельство, что критика СТО даже была запрещена Академией наук СССР. Вместе с тем, защитников СТО было относительно мало, а противники её всё множились. При этом сама теория не развивалась, если не считать нескольких попыток переизложить её более логично и аккуратно. Первая из таких попыток была предпринята В.С. Игнатовским в 1910 году.
Ниспровергатели СТО в основном били по трем целям: по экспериментам, результаты которых мотивировали выбор постулата независимости скорости света от системы отсчета (Майкельсона-Морли), по экспериментам, которые якобы подтверждали ее следствия (лоренцево сплющивание эквипотенциальной поверхности движущегося электрона, обнаружение мюонов у поверхности Земли благодаря замедлению времени), а также по внутренней противоречивости (парадокс близнецов). Объем целей, а также их количество возрастали при переходе от СТО к общей теории относительности (ОТО). Упомяну лишь некоторые: вековое смещение перигелия Меркурия, гравитационное искривление траектории светового луча, красное смещение излучения из-за гравитации, поперечный эффект Допплера. Аргументы противников теории относительности заслуживают серьезного внимания и сводятся к следующим основным типам.
Во-первых, результаты экспериментов, интерпретируемые защитниками в пользу теории, представляются ее противникам неоднозначными или же сомнительными с точки зрения точности и с методической стороны (например, опыты Майкельсона-Морли). Во-вторых, многие эффекты, предсказанные теорией относительности, можно объяснить и без нее (например, поперечный эффект Допплера, отклонение луча света вблизи тяготеющих масс). В-третьих, есть эксперименты, результаты которых противоречат предсказаниям СТО (например, узкополосная радиолокация Венеры группой академика Котельникова). В-четвертых, логика теории представляется противоречивой. Аргументы первых трех типов, я считаю весомыми и интересными. Они связаны в основном с проблемами верифицируемости теории, а информация о них весьма обильна и доступна. Поэтому здесь я не буду подробно их рассматривать. Замечу только, что сколько ни добавляй новых аргументов такого рода, теорию относительности этим не сокрушишь. Но зато лучше поймешь и физику, и что такое наука вообще. Имеющиеся доводы четвертого типа защитники теории относительности парируют тем, что парадоксальные следствия необходимо рассматривать не извне, а изнутри теории; в этом случае, как они говорят, парадоксы перестанут быть таковыми. Это, в частности, касается парадокса близнецов. Подобный подход мне представляется совершенно неудовлетворительным. Проблемы логического и методологического порядка обусловлены, на мой взгляд, нарушением принципа объективности, которому должна удовлетворять любая научная теория. Вот на этих проблемах я и собираюсь сосредоточить основное внимание.
Прежде всего, рассмотрим вкратце основные мотивы разработки СТО. К моменту ее опубликования физика имела классическую механику материальных точек и теорию электромагнитного поля Максвелла. Первая предназначалась для описания вещественного мира, а вторая — другой формы материи, поля, существенно отличавшейся от первой. Тем не менее, очень хотелось объединить их в рамках некой общей теории. Естественно было предположить, что новая теория Максвелла должна быть включена в добрую старую классическую физику, а не наоборот. Однако в начале пути к данной цели сразу же возникли трудности. Интересно, какие и как же их пытались преодолеть?
Авторитетная классическая механика в описаниях движения объектов (материальных точек и их систем), начиная с XVII века, покоилась на фундаментальном принципе относительности Галилея: никакими механическими экспериментами внутри физической системы невозможно обнаружить прямолинейное и равномерное движение этой системы. Другими словами, все механические явления, происходящие в двух “лабораториях”, одна из которых движется относительно другой прямолинейно и равномерно, неразличимы. К данному принципу добавляются простые линейные уравнения преобразования пространственных координат для перехода от одной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой прямолинейно и с постоянной скоростью (равномерно). При этом время в обеих системах одинаково. Системы координат (или отсчета), движущиеся прямолинейно и равномерно относительно друг друга называют еще инерциальными. Понятно, что все инерциальные системы равноправны, поскольку в них все механические явления происходят одинаково. Данное положение было несколько уточнено: законы механики в инерциальных системах имеют одинаковый вид. Другими словами, законы механики инвариантны относительно инерциальных систем.
Максвелл, как он сам скромно считал, создал теорию электромагнитного поля как математическую форму идей Фарадея, возникших в результате глубокого обдумывания огромного количества экспериментов. При этом изобретение уравнений поля производилось в предположении существования некоей среды, названной эфиром. Так что, волны поля рассматривались как распространение напряжений эфира. Иначе говоря, считалось, что электромагнитные волны распространяются не в пустоте, а в гипотетическом эфире, природа и устройство которого, однако, оставались неясными. Вместе с тем, наличие эфира в теории было существенным, поскольку уравнения поля содержали в качестве одного из параметров скорость распространения волн, определяемую относительно именно эфира, а не какой-нибудь произвольной системы отсчета. Неопределенность физической (механической) сущности эфира является, несомненно, дефектом теории, но, во-первых, он не разрушает теорию Максвелла и, во-вторых, не он определяет трудности включения законов Максвелла в классическую механику. В конце концов, можно было бы подождать до лучших времен, когда бы эфир либо обрел теорию, либо рассеялся как нереальная фикция. Считается, что главная проблема заключалась в том, что уравнения Максвелла не инвариантны, в противоположность законам классической механики, относительно преобразований Галилея, то есть их вид меняется в зависимости от системы отсчета координат. Данное обстоятельство можно понимать как то, что законы электромагнитного поля не могут быть импортированы в семейство законов классической механики, и даже жестче: они вообще не являются законами с точки зрения последней. Тем не менее, уравнения Максвелла имели и сейчас имеют столь большую ценность, что отбрасывать их или как-то реформировать не представлялось ни возможным, ни целесообразным. Рассмотрим сложившуюся ситуацию более подробно.
В уравнениях Максвелла, как уже отмечалось, фигурирует скорость распространения электромагнитных волн относительно эфира, который, при желании, можно рассматривать как систему отсчета, относительно которой данная скорость и определяется. Однако в классической механике нет законов, содержащих скорости движения относительно каких либо (инерциальных) систем отсчета, поскольку все ее законы инвариантны относительно любой из них. В законах механики допустимы лишь скорости, с которыми движутся объекты или же их части относительно друг друга. Например, законно рассматривать скорость сближения пули и мишени, которые обе являются объектами некоей теории, но скорости каждой из них относительно некоторой системы координат не имеют механического смысла и в законах механики фигурировать не могут. Это может показаться парадоксальным, но только на первый и поверхностный взгляд. Скорость сближения или удаления объектов и есть их относительная скорость, которая абсолютна в том смысле, что сохраняется в любой системе координат.
Итак, ситуация противоречива. С одной стороны, чтобы уравнения Максвелла, содержащие скорость, можно было импортировать в классическую механику, необходимо рассматривать эфир как один из объектов теории электромагнитного поля, но этому препятствует неясность его физической природы. С другой стороны, если эфир считать просто системой отсчета, то, помятуя о неинвариантности уравнений Максвелла относительно преобразований Галилея, мы вступаем в противоречие с принципом относительности о равноправии всех инерциальных систем отсчета (получается, что эфир — система отсчета, отличная от всех других).
Эйнштейн разрешил указанное противоречие следующим образом. Раз эфир не может быть ни объектом, ни системой отсчета, то он не должен существовать вообще и о нем лучше забыть. А скорость распространения электромагнитных волн тогда следует постулировать как константу для всех инерциальных систем отсчета, чтобы выполнялся принцип относительности Галилея. При этом остается еще одна проблема — инвариантность уравнений при переходах между системами отсчета. Законы классической механики инвариантны, как уже говорилось, относительно преобразований Галилея, а законы электромагнитного поля — нет, но они оказались инвариантными относительно преобразований Лоренца, которые к моменту создания СТО были уже известны. Однако загвоздка заключалась в том, что относительно последних не инвариантны законы классической механики. И тогда было решено модернизировать классическую физику. А именно, сохранив сам принцип относительности Галилея (инвариантность законов относительно всех инерциальных систем), следовало лишь заменить преобразования Галилея лоренцевыми, что и было сделано в СТО.
Преобразования Лоренца, как и Галилея, линейны, но содержат константу, обозначающую скорость электромагнитных волн (света). При этом скорости относительного перемещения объектов и систем отсчета не могут превзойти скорость света, так как в противном случае в уравнениях преобразований под знаком квадратного корня окажется отрицательная величина. Кроме того, и это самая важная отличительная особенность, преобразованиям подвергаются не только пространственные координаты, но и время. Время в подвижной системе координат оказывается зависящим от места его измерения и скорости перемещения данной системы относительно неподвижной. С учетом новых, лоренцевых, преобразований старые законы классической физики были трансформированы в релятивистские так, что при обычных скоростях, значительно меньших непреодолимой скорости распространения электромагнитных волн в вакууме, они с достаточной для практики точностью переходили в прежние, классические законы. Это позволило апологетам теории относительности заявить, что последняя является обобщением и уточнением старой физики.
Обратите внимание, что для выполнения описанного плана реформирования физики не нужны никакие эксперименты. Все можно сделать "кончиком пера"на небольшом количестве страниц. Так оно и было в действительности. Первая статья Эйнштейна 1905 года “К электродинамике движущихся тел” занимает около тридцати страниц. Вместе с тем, чтобы теория относительности была принята физиками как физическая теория, необходимы были физические ее обоснования. Поэтому постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета вместе с ненужностью эфира был подперт опытами Майкельсона и Морли, в которых не удалось обнаружить движение Земли относительно эфира и которые, однако, до сих пор вызывают споры. А другое, но уже теоретическое, обоснование, выдвигаемое еще и в качестве главного мотива, состояло в том, что одновременность двух и более событий принципиально относительна. Так что, относительны не только пространственные координаты, но и время, что и было учтено в теории относительности.
Итак, была создана теория относительности, из которой неискушенный народ с восхищением вынес только одно: в мире все относительно — все-все! Возможно, он был доволен потому, что данное откровение раньше было ему и так интуитивно понятно, а теперь же стало еще и научно обоснованным. А последнее слово, как мы привыкли считать, за наукой. Однако объектом теории Эйнштейна является вовсе не относительность, а, как считают его апологеты, пространство и время, теперь уже слившиеся в единый и неделимый континуум пространства-времени. А как же иначе? Ведь у теории должны быть объекты, которые она описывает и которые имеют аналоги во внешнем мире. В противном случае вся теория относительности превращается просто в некий принцип, лежащий не в физике, а вне ее. Впрочем, и принцип относительности Галилея является метафизическим, а соответствующие преобразования координат есть лишь преобразования координат, а не законы физики. Так должно быть хотя бы потому, что уравнения преобразований относятся к системам координат, которым нет место в теории, содержанием которой являются законы, инвариантные относительно систем координат. Интересно, что формально уравнения преобразований Галилея и Лоренца сами инвариантны относительно инерциальных систем координат. Более того, при выводе последних такая инвариантность получается не сама собой, а постулируется явным образом. Данное обстоятельство указывает на то, что правила преобразований очень хотелось наделить таким же главным свойством, что и другие законы физики. А как же иначе? Ведь преобразования Лоренца теперь должны играть роль не только инструментов построения изображений реального мира, а составить ядро законов самого пространства-времени. Но включение систем координат и правил переходов между ними в теорию лишают последнюю, повторю еще раз, объективности. А трудности с ее верифицируемостью принципиально обусловлены тем обстоятельством, что это супертеория, содержащая изображаемое в качестве воображаемого (в понятиях, обсуждаемых в статье "Где в науке гнездится крамола?" —http://www.proza.ru/2012/05/29/976).
С изображениями мы имеем дело очень часто. И это происходит всякий раз, когда мы пользуемся органами чувств и измерительными приборами. Объективно лишь то, что не зависит от последних. Фиксируется же объективное нашим разумом как воображаемое само по себе, без нашего инструментария и "строительных лесов". В этом случае мы можем спроектировать воображаемое на изображаемое, имеющее более непосредственную связь с внешним миром, и проверить, а не беспочвенно ли наше воображение. Можно, наоборот, спроектировать изображаемое на воображаемое, чтобы попытаться понять первое. Если у нас одни только изображения, то мы, ничего не поймем, но все подтвердим как реально существующее. В промежуточных случаях одни будут галлюцинировать, а другие — спекулировать. Наиболее ярко это проявилось сначала в научно-популярных публикациях о теории относительности, из которых я особо выделяю изящную и остроумную работу К. Дьюрелла "Азбука теории относительности". Затем последовали фантастические романы, в которых ускользающая определенность только на руку авторам, да и читателям — интересно. Но и в серьёзных работах обнаружился странный феномен, называемый парадоксом штриха. На него обратил внимание О.Е. Акимов (http://sceptic-ratio.narod.ru). В одной системе отсчета координаты и время обозначаются без штриха, а в другой — со штрихом. Понятно, это для различения образов одного и того же события в разных системах координат. Очевидно, что кроме прямых преобразований координат имеются и обратные. Далее у различных авторов начинается путаница с применением этих преобразований. А все это потому, что внутрь теории относительности запущен наблюдатель, который мечется между системами координат, между изображениями в них некоторого объекта. Такой подход отражает лишь реальные муки другого наблюдателя, расположенного вне данной "теории". А сам объект ускользает от неправильно подготовленного воображения.
4.
Симметрия и асимметрия в природе
Симметрия и асимметрия являются объективными свойствами природы, одними из фундаментальных в современном естествознании. Симметрия и асимметрия имеют универсальный, общий характер как свойство материального мира.
Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность, порядок, гармония) является всеобщим свойством природы. Представление о симметрии у человека складывалось тысячелетиями. Термин «симметрия» фигурирует в представлениях человека как элемент чего-то «правильного», прекрасного и совершенного. В своих раздумьях над картиной мироздания человек определял симметрию как магическое качество природы, ее целесообразность, совершенство и старался отразить эти свойства в музыке, поэзии, архитектуре. В определенной мере симметрия выражает степень упорядоченности системы. В связи с этим имеется тесная корреляционная связь энтропии как меры неупорядоченности с симметрией: чем выше степень организованности вещества, тем выше симметрия и ниже энтропия.
Степень симметрии природных систем отражается в симметрии математических уравнений, законов, отображающих их состояние, в неизменности каких-либо их свойств по отношению к преобразованиям симметрии.
Симметрия – это понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, то есть некий элемент гармонии.
Асимметрия – понятие, противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия, что связано с изменением и развитием системы.
Из определений симметрии и асимметрии следует, что развивающаяся динамическая система должна быть обязательно несимметричной и неравновесной.
Современное естествознание представлено целой иерархией симметрий, которая отражает свойства иерархии уровней организации материи. Выделяют различные формы симметрий: калибровочные, пространственно-временные, изотопические, перестановочные, зеркальные и т. д. Все эти виды симметрий подразделяются на внешние и внутренние.
Внутреннюю симметрию невозможно наблюдать, она скрыта в математических уравнениях и законах, выражающих состояние исследуемой системы. Пример тому – уравнение Максвелла, описывающее взаимосвязь электрических и магнитных явлений, или теория гравитации Эйнштейна, связывающая свойства пространства, времени и тяготения.
Внешняя симметрия (пространственная или геометрическая) представлена в природе большим многообразием. Это симметрия кристаллов, молекул, живых организмов.
Для чего нужна симметрия живому и как она возникла?
Живые организмы формировали свою симметрию в процессе эволюции. Зародившиеся в водах океана, первые живые организмы имели правильную сферическую форму. Внедрение организмов в другие среды заставляло их адаптироваться к новым специфическим условиям. Один из способов такой адаптации – симметрия на уровне физической формы. Симметричное расположение частей органов тела обеспечивает живым организмам равновесие при движении и функционировании, жизнестойкость и адаптацию. Довольно симметричны внешние формы крупных животных, человека. Растительный мир организмов также наделен симметрией, что связано с борьбой за свет, физической устойчивостью к полеганию (закон всемирного тяготения). Например, конусообразная крона ели имеет строго вертикальную ось симметрии – вертикальный ствол, утолщенный книзу для устойчивости. Отдельные ветви симметрично расположены по отношению к стволу, а форма конуса способствует рациональному использованию кроной светового потока солнечной энергии, увеличивает устойчивость. Таким образом, благодаря притяжению и законам естественного отбора ель выглядит эстетически красиво и «построена» рационально. Внешняя симметрия насекомых и животных помогает им держать равновесие при движении, извлекать максимум энергии из окружающей среды и рационально ее использовать.
В физических и химических системах симметрия приобретает еще более глубокий смысл. Так, наиболее устойчивы молекулы, обладающие высокой симметрией (инертные газы). Симметрия молекул определяет характер молекулярных спектров. Высокая симметрия характерна для кристаллов. Кристаллы – это симметричные тела, их структура определяется периодическим повторением в трех измерениях элементарного атомного мотива.
Асимметрия также широко распространена в мире.
Внутреннее расположение отдельных органов в живых организмах часто асимметрично. Например, сердце расположено слева у человека, печень – справа и т. д. Л. Пастер, французский микробиолог и иммунолог, выделил левые и правые кристаллы винной кислоты. Молекула ДНК асимметрична – ее спираль всегда закручена вправо. Все аминокислоты и белки, входящие в состав живых организмов, способны отклонять поляризованный луч света влево.
В отличие от молекул неживой природы, где левые и правые молекулы встречаются часто, то есть носят в основном симметричный характер, молекулы органических веществ характеризуются ярко выраженной асимметрией. Придавая большое значение асимметрии живого, В. И. Вернадский предполагал, что именно здесь проходит тонкая граница между химией живого и неживого. Л. Пастер также, основываясь на этих признаках, провел границу между живым и неживым. Следует также отметить, что живые организмы (растения) в процессе жизнедеятельности поглощают из окружающей среды (почвы) в значительной степени химические соединения минеральной пищи, молекулы которой симметричны и в своем организме превращают их в асимметричные органические вещества: крахмал, белки глюкозу и т. д. Симметрия молекул пищевых веществ живого организма согласуется с симметрией молекул самого организма. В противном случае пища будет несовместимой (ядовитой).
Структура компонентов клетки также асимметрична, что имеет большое значение для ее обмена веществ, энергетической обеспеченности, а также способствует более высокой скорости протекания биохимических реакций.
Симметрия и асимметрия – это две полярные характеристики объективного мира. Фактически в природе нет чистой (абсолютной) симметрии или асимметрии. Эти категории – противоположности, которые всегда находятся в единстве и борьбе. Там, где ослабевает симметрия, возрастает асимметрия, и наоборот. На разных уровнях развития материи ей свойственна то симметрия, то асимметрия. Однако эти две тенденции едины, а их борьба носит абсолютный характер. Эти категории тесно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости систем, порядка и беспорядка, организации и дезорганизации, отражающими свойства систем и динамику развития, а также взаимосвязь между динамическими и статическими законами.
Полагая, что равновесие есть состояние покоя и симметрии, а асимметрия приводит к движению и неравновесному состоянию, можно считать, что понятие равновесия играет в биологии не менее важную роль, чем в физике. Принцип устойчивости термодинамического равновесия живых систем характеризует специфику биологической формы движения материи. Именно устойчивое динамическое равновесие (асимметрия) является ключевым принципом постановки и решения проблемы происхождения жизни.