Раздел 3. КОНЦЕПЦИИ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ

Глава 3.1. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИОсновные понятия: время и пространство, масса и энергия, релятивистская механика, неевклидова геометрия,

неклассическая наука

Альберт Эйнштейн

Альберт Эйнштейн — физик-теоретик и крупный общественный деятель. О нем часто говорят, как об ученом, «обвенчанном» с Вселенной, пытавшемся разгадать информацию «тайных послов» Вселенной. К «тайным послам» Вселенной относятся так называемые мировые константы, значения которых определяет физическое состояние мира, в котором мы живем. К этим константам относятся: постоянная Планка (квант-энергии), скорость света, заряд электрона, масса протона, гравитационная постоянная и некоторые другие. А. Эйнштейн признан выдающимся ученым ХХ столетия. Он родился в Швейцарии, в небогатой еврейской семье, которая жила вначале в Швейцарии, затем в Германии. В 1933 г. (в Германии пришли к власти нацисты) А. Эйнштейн эмигрировал в США, где и прожил до конца своей жизни. В 1921 г. ему была присуждена Нобелевская премия за работы в области теоретической физики и объяснение физической природы фотоэлектрического эффекта. С 1926 г. он был почетным членом Академии наук СССР.

А. Эйнштейн принадлежал к числу выдающихся личностей, которые интересны не только своими результатами, но и тем, как они мыслили и над какими проблемами работали. Проблемы, которые он исследовал, интересовали многих ученых, например французского математика А. Пуанкаре (1854—1912) и австрийского физика Э. Маха (1833—1916). Научному сообществу А. Эйнштейн стал известен своими первыми опубликованными тремя работами. В первой речь шла о развитии статистических методов при изучении движения броуновских частиц, во второй — о необходимости введения понятия системы отсчета для уточнения содержания понятий времени и пространства, в третьей — об анализе гипотезы М. Планка о квантах энергии, т. е. испускании и поглощении энергии порциями, квантами. Анализируя эту гипотезу,

А. Эйнштейн пришел к выводу о необходимости радикального изменения существовавших в то время представлений об энергии и формах ее превращения. Следствием этого анализа явилось утверждение А. Эйнштейна о том, что свет испускается и поглощается как некая локализованная частица, которая перемещается от одной точки к другой как единое целое. Сходную идею высказывал еще И. Ньютон в своей корпускулярной теории света. Многие ученые придерживались концепции света как колебание эфира, заполняющего все космическое пространство. Всемирную известность Эйнштейну принесла его теория относительности. Однажды великий Чарльз Чаплин сказал Эйнштейну:

«Мне аплодируют, потому что все понимают, что я играю. Вам — за то, что Вас

не понимают».

В теории относительности выделяют специальную теорию относительности (СТО) и общую теорию относительности (ОТО). СТО была создана в 1905 г. Над созданием ОТО Эйнштейн работал более десяти лет с 1905 по 1916 г. К двадцатым годам прошлого века он был общепризнанным лидером в теоретической физике. С появлением в 1926 г. квантовой механики Эйнштейн вступил в острую дискуссию по проблеме получения объективной информации об объектах микромира. А. Эйнштейну не удалось доказать неполноту и противоречивость квантовой механики, но его физические идеи оказали большое влияние на развитие этой теории. Например, теория лазеров (термин «лазер» образован из первых букв английского названия «усиление света в результате

вынужденного излучения») основывается на принципах индуцированного

фотонного излучения, сформулированных в виде гипотезы А. Эйнштейном в 1915

г. В расцвете своих творческих сил А. Эйнштейн добровольно отказался от роли лидера в области теоретической физики. Вторая половина его научного творчества была связана с созданием теории, раскрывающей единство физической природы всех сил физического взаимодействия в природе (гравитация, электромагнитные, сильные и слабые). Эта теория получила название теории единого физического поля. По существу, теория относительности была необходимым этапом развитии теории единого физического поля, над которой он работал в последние годы своей жизни.

Опыт Морли - Майкельсона

Когда А. Эйнштейну было всего два года, американский исследователь А.

Майкельсон (офицер ВМФ США, затем профессор

прикладных наук) провел эксперимент, идея которого была предложена в 1875

г. Д. К. Максвеллом. Идея этого эксперимента состояла в измерении абсолютной скорости Земли относительно эфира. Если эфир существует, как полагали некоторые ученые, то Земля в своем движении в эфире, должна ощущать пусть хоть и мало, но все же заметное на себе его влияние. Для этого нужно было сделать установку, которая бы посылала луч света по направлению движения Земли на орбите вокруг Солнца, затем луч света отражался бы от установленного зеркала на конце его пути в установке и бежал бы против направления движения Земли по орбите вокруг Солнца. А. Майкельсон и химик Э. Морли внесли совместно конструктивные изменения в этот эксперимент, поэтому эксперимент стали называть экспериментом Морли - Майкельсона. Результат эксперимента оказался необычным. Средняя скорость движения Земли на орбите приблизительно 30 км/с, скорость света — 300 тыс. км/с. Длина плеча установки, вдоль которой двигался свет, постоянна. Исследователи полагали, что время Т1 =

l/с + v, где l — длина плеча установки, с — скорость света, v — средняя скорость

Земли на орбите, не должно быть равно времени Т2 = l/с - v. В обычных условиях, например, лодка с одной и той же скоростью движения проходит одно и то же расстояние против и по течению реки за разное время: Т1 = l/v, + v2 не равно Т2 — l/v1 + v2, где v1 — скорость течения реки, v2 — скорость лодки. Результат эксперимента вызвал оживленную дискуссию, поскольку из него следовало: а) или скорость света не зависит от движения его источника; б) или эфира действительно нет; в) или Земля покоится в пространстве, т. е. является абсолютной системой отсчета в мире, во что уже в то время было трудно поверить.

3.1.3. Преобразования Лоренца

В 1892 г. два физика независимо друг от друга (ирландский физик Фитцджеральд и голландский физик Лоренц) предложили математическое решение, которое сохраняло идею существования эфира и примеряло результаты эксперимента Морли - Майкельсона с принятыми в классической механике преобразованиями координат Галилея.

Голландский физик X. А. Лоренц (1853—1928), лауреат Нобелевской премии (1902), создатель классической электронной теории, предложил математическое разрешение казуса эксперимента Морли — Майкельсона, которое получило название преобразова-

ние Лоренца. Это преобразование координат движущего или покоящегося материального тела отличается от преобразований Галилея следующим образом.

1. Согласно преобразованию X. Лоренца длина движущегося тела в направлении его движения сокращается или остается постоянной в зависимости

от скорости движения тела по формуле l = √l-v/c2, где l — длина тела, v —

скорость движения тела, с — скорость света. В зависимости от разницы величины

скорости движения тела от величины скорости света эта формула показывает заметное или незаметное сокращение длины тела. Например, ракета длиной в 50 м при скорости 100 км/с сокращает свою длину по направлению своего движения всего лишь на 0,003 мм. Из предложенного Лоренцем коэффициента сокращения длины следовало, что в установке Морли - Майкельсона длина плеча, движущегося вдоль своей длины, должна была сокращаться. Этим он объяснял тот факт, что Морли и Майкельсон не заметили разницы во времени движения света в противоположных направлениях.

2. X. Лоренц предложил преобразовать и временную координату. Согласно его преобразованию время (метрические свойства) замедляется при движении тела со скоростью света. В основе этого преобразования лежит различение ритма времени, оцениваемого в разных системах отсчета. Например, время жизни мюона (нестабильная самопроизвольно распадающаяся частица), вычисленное из системы отсчета, связанной с этой частицы, равно приблизительно τ0 = 2,2 • 10-б с, где τ0 — время жизни из системы отсчета, связанной с частицей. За это время, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света (с), мюон должен пройти расстояние приблизительно 600 м. Мюоны рождаются в верхних слоях атмосферы Земли, измеряемых километрами, и проходят расстояние, определяемое по формуле: S = τ0 • с (S— расстояние, с — скорость света). Это небольшое расстояние, но приборы фиксируют мюоны достаточно близко от поверхности Земли. Это происходит оттого, что наряду с собственным времени жизни (τ0), мюон имеет, согласно преобразованиям Лоренца, время жизни (г), измеренное из системы отсчета, связанной с Землей по формуле: τ = τ/√1-(v2/с2).

Из этой формулы следует, что собственное время жизни мюона (τ0) в десять раз меньше его времени существования, зафиксированного в системе отсчета, связанной с Землей. Это позволяет мюонам проходить расстояние существенно больше, чем 600 м.

Как и в случае с эффектом сокращения масштаба длины движущегося тела, преобразования Лоренца указывали на замедление хода часов, сокращение временных масштабов в зависимости от приближения скорости движущегося тела

к величине скорости света: чем ближе к скорости света, тем ощутимее процесс замедления масштаба времени. Например, в ракете со скоростью 100 км/с часы будут идти медленнее всего лишь на 0,00002 с в сравнении с часами, установленными на Земле и синхронизированными с первыми в момент старта ракеты.

Преобразования X. Лоренца — значительный вклад в развитие естествознания.

К ним X. Лоренц пришел в результате изучения ряда важных физических проблем, в частности проблемы измерения скорости света в различных системах отсчета. Из преобразований X. Лоренца чисто логически выводятся важные эффекты специальной теории относительности: парадокс близнецов, сокращение масштаба длины, постоянство скорости света.

Принципиальная новизна СТО состоит в том, что эта теория позволила найти новые физические решения ряда проблем классической науки, а именно связь вещества, массы, физического поля с энергией, пространством и временем.

В XVII—XVIII вв. ученые спорили о причинах инерции вращения в движении Земли. Некоторые считали, что явление инерции и вращения в движении Земли совершенно не зависят от того, является ли космическое пространство или нет заполненным веществом. Другие, напротив, утверждали, что явления инерции и вращение Земли возможны лишь при наличии в пространстве звезд и других структур, создающих гравитационные поля. Так, космонавт, если рассматривать его как единственное тело в пустом пространстве, без гравитационных полей, не сможет придать ускорение брошенному им предмету, поскольку инертная масса космонавта настолько мала в таком пустом пространстве, что ею можно пренебречь. Следовательно, космическое пространство, заполненное звездами и

другими объектами, является необходимой средой движения тел во Вселенной.

Точка зрения, утверждавшая значение гравитационных полей в образовании структур Вселенной, была названа А. Эйнштейном «принципом Маха» в честь австрийского физика Э. Маха (1839—1916). Обдумывание Эйнштейном результатов опыта Морли — Майкельсона и принципа Маха навело его на мысль

о том, что понятие эфира не имеет физического

смысла и что физика должна строиться на более надежных основаниях.