Сокрушительный удар по принципам механицизма

Сокрушительный удар по принципам механицизма был нанесен открытиями XIX—XX вв.:

- открытием рентгеновских лучей и радиоактивного излучения в 1896 г. А. Беккерелем и исследованием его в 1898 г. П. Кюри и М. Склодовской-Кюри. Радиоактивный распад показал, что радиоактивность не связана с внешними, механическими воздействиями, а определяется внутренними процессами, проявляющимися в виде статистических закономерностей;

- созданием теории электромагнитного поля Дж. Максвеллом (1860-1865 гг.);

- открытием явления электромагнитной индукции М. Фарадеем (1831 г.). Ньютоновская теория дальнодействия и его схема мира господствовали до начала XX в. М. Фарадей и Дж. Максвелл впервые обнаружили ее непригодность и неприменимость к электромагнитным явлениям;

- экспериментальным доказательством делимости атомов и открытием электрона английским физиком Дж. Дж. Томсоном (1897 г.), за что он был удостоен Нобелевской премии в 1906 г. В 1903 г. им была предложена одна из первых моделей атома, согласно которой атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее электронами (подобно булке с изюмом). В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд, проводил опыты по рассеянию альфа-частиц атомами различных элементов, установил наличие в атоме плотного ядра диаметром около 10^-12см, заряженного положительно, и предложил для объяснения этих экспериментов планетарную модель атома. Модель подчинялась классической механике (движение ядра и электронов) и классической электродинамике (взаимодействие частиц). Электроны в этой модели, подобно планетам Солнечной системы, вращались вокруг ядра. Состояние атомов в классической физике определяется заданием координаты и скорости его составных частиц, т. е. можно получить мгновенный снимок его строения. Однако это противоречило экспериментальным данным.

Принцип относительности Галилея

Принцип относительности Галилея выделяет определенный класс систем отсчета, которые называют инерциальными. Инерциальными являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции ( 1-й закон Ньютона):существуют системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние своего движения( состояние покоя или прямолинейного равномерного движения), пока действие всех тел и полей на него компенсировано.

Если мы имеем хотя бы одну такую инерциальную систему отсчета, то всякая другая система отсчета, которая движется относительно первой равномерно и прямолинейно также является инерциальной. Все другие системы отсчета называются неинерциальными.

Выберем инерциальную систему отсчета и условно назовем ее покоящейся системой отсчета К. Рассмотрим другую инерциальную систему отсчета К', движущуюся относительно К равномерно и прямолинейно со скоростью U (U«c).

Пусть оси X и X' обеих рассматриваемых систем отсчета совпадают, а оси Y и Y'; Z и Z' соответственно параллельны. Т.о., система К' движется со скоростью U относительно К вдоль оси X. Положение некоторой точки (тела) в системах отсчета выражается значениями декартовых координат в соответствующих системах отсчета. Как видно, между ними имеется зависимость

X = X' + Ut

Y=Y' (1)

Z=Z'

Если мы возьмем производную по времени от координат, то найдем выражение, связывающее скорости движения тела относительно обеих систем отсчета

V = V' + U (2)

Скорость относительно неподвижной системы складывается из скорости относительно подвижной системы отсчета и скорости самой системы отсчета. Если далее возьмем производную по времени от правой и левой части уравнения (2) , то выразим связь ускорения тела относительно обеих систем отсчета. Так как система К' движется равномерно и прямолинейно относительно К, и скорость U является постоянной величиной, то производная от U по времени равна 0, и мы получаем a = a'. (3)

Уравнения (1), (2), (3) называются преобразованиями Галилея. Они описывают, как связаны между собой кинематические параметры движения тела при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую.

Тот факт, что ускорения тел относительно обеих инерциальных систем отсчета одинаковы, позволяет делать вывод о том, что законы механики, определяющие причинно-следственные связи движения тел, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. И это составляет суть принципа относительности Галилея: «Во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково»

Рассмотрим теперь неинерциальные системы отсчета. Система отсчета, которая движется относительно инерциальной с ускорением, является неинерциальной. Как следует из принципа относительности Галилея, никакими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно установить, покоится ли она или движется прямолинейно и равномерно. То есть, движение инерциальной системы отсчета не влияет на ход протекающих в ней физических процессов. В неинерциальных системах отсчета это не так: всякое ускорение системы сказывается на происходящих в ней явлениях. Т.о., на неинерциальные системы отсчета принцип относительности Галилея не распространяется, и законы Ньютона в них не выполняются.

Специальная теория относительности

В 1860-х годах Дж. Максвеллом была создана макроскопическая электродинамика, которая явилась революцией в области физических знаний и позволила обобщить содержание принципа относительности Галилея на случай электродинамических явлений. Это означало, что все законы физики одинаковы во всех системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца. Результаты многих экспериментов свидетельствовали о том, что скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. С позиций ньютоновской механики, скорости тела, совершающего два движения в одном и том же направлении, складываются, следовательно, любая скорость может быть превзойдена. Со скоростью света ситуация складывается существенно по-другому: независимо от того, испускает ли свет неподвижный или движущийся источник, скорость света в вакууме остается равной c=3·10⁸ м/c.

В 1904 году голландский ученый Х. Лоренц осуществляет преобразования, по отношению к которым уравнения классической электродинамики сохраняют свой вид. Согласно преобразованиям Лоренца, при переходе от системы отсчета К

к системе отсчета К^´ , движущейся относительно системы К с постоянной скоростью υ вдоль оси Х , преобразования координат и времени имеют следующий вид:

, y^´ =y, z´=z; t´=

Преобразования Лоренца играли важную роль для становления новых идей, выдвинутых позже Эйнштейном в виде двух постулатов:

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2. Все законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Согласно СТО, инвариантом является интервал между двумя событиями и это –прямая противоположность тому, что утверждается в механике Ньютона, где постоянными считаются длины (r) и промежутки времени (t).

Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины – длина тела, промежуток времени, масса для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся:

l^´ l ,

l^´- длина тела в движущейся системе со скоростью v по отношению к неподвижной системе.

l - длина тела в покоящейся системе.

Эйнштейн показал позднее, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении (что можно представить в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса – наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной, в которой этот процесс будет более быстрым:

t^´ = .

Релятивистское замедление является экспериментальным фактом. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами, или пионами. Собственное время жизни пионов – 10^-8с. За это время, двигаясь даже со скоростью, почти равной скорости света, они могут пройти не больше чем 300 см. Но приборы их регистрируют. Они проходят путь, равный 30км, или в 10 000 раз больше, чем для них возможно. Теория относительности так объясняет этот факт: 10^-8с является естественным временем жизни мезона, измеренным по часам, движущимся вместе с мезоном, т. е. покоящимся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни мезона намного больше, и за это время пионы в состоянии пройти земную атмосферу.

Т. о., относительными оказались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий. Иначе говоря, относительны не только всякое движение, но и пространство и время.

В заключении упомянем еще две знаменитые формулы СТО: формулу преобразования скоростей и закон взаимосвязи массы и энергии.

Если тело (частица) движется по осям Х и Х^´ , относящимся соответственно системам К и К^´, то

,

где v – скорость движения систем К и К^´ относительно друг друга.

Допустим, что V=с и свет испускается в движущейся системе отсчета. Кажется, что относительно неподвижной системы отсчета свет будет двигаться со скоростью с + с = 2с.

Но формула преобразования скоростей дает совсем другой, не ньютонианский результат:

v = = .

Мы вновь получили независимость скоростей света от движения источника.

В случае, если величиной Vv^´ /c² можно пренебречь, налицо формула сложения скоростей из механики Ньютона.

В специальной теории относительности была получена также формула для энергии покоя частиц:

E=mc² .

Эта формула, очень простая по внешнему виду, свидетельствует об огромной энергетической емкости тел. Это обстоятельство имело важнейшее значение в деле развития ядерной энергетики.

Общая теория относительности.

В общей теории относительности (ОТО), или теории тяготения, Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерционных и гравитационных, или полей соответственно.

Принцип эквивалентности Эйнштейн называл «счастливейшей мыслью в моей жизни». Однако тяготение не может быть полностью заменено ускорением (гравитационные силы – силами инерции) в больших областях с неоднородным гравитационным полем, иными словами, принцип относительности имеет локальное значение. Локальный характер этого принципа приводит представлениям о мире, отличном от плоского евклидового пространства, для которого сумма углов треугольника всегда равно 180 градусов. Это мир с кривизной пространственно – временного континуума. К тому времени в математике уже были развиты теории неевклидовой дифференциальной геометрии – теория Лобачевского и теория Римана. (В геометрии Римана сумма углов треугольника больше 180⁰ , у Лобачевского – меньше). В ОТО инвариантность физических законов в системах отсчета, в которых действуют гравитационные силы (или являются неинерциальными), достигается относительно локальных преобразований в римановом четырехмерном пространстве – времени положительной кривизны. Иными словами, гравитационное поле может интерпретироваться как следствие искривления пространства.

Согласно СТО, ничто, том числе и информация, не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Это противоречило взглядам Ньютона на тяготение. (теория дальнодействия). В ОТО Эйнштейн предположил, что материя, являющаяся источником поля тяготения, искривляет окружающее ее пространство. Этот эффект особенно ощутим в сильных полях тяготения. Подобное явление можно сравнить с тем, как камень вдавливается в лист резины, прогибая ее поверхность. Тяготение зависит от распределения масс в пространстве, их движения, от давления и натяжения в телах, от электромагнитных и всех других видов физических полей, присутствующих в системе. Если тело очень плотное (большая масса заключена в малом объеме), оно может вытянуть пространство в бесконечно глубокую воронку. Попав в такую воронку, изменяет свой путь даже луч света. Это явление наблюдается в «черных дырах».

В искривленном пространстве кратчайшим расстоянием между двумя точками будет кривая. Именно поэтому массивные космические тела искривляют траекторию пролетающих мимо них предметов или заставляют их двигаться по замкнутым орбитам - космическое тело следует по прямой, но в искривленном пространстве.

ОТО предсказывает искривление луча света при прохождении вблизи массивных тел. Это подтверждено во время полного солнечного затмения в 1919 г., когда астрономы смогли наблюдать звезды, которые, по расчетам, были скрыты солнечным диском. Световые лучи от звезд следовали за изгибом пространства, искривленного массой Солнца.

Также, экспериментальным доказательством справедливости ОТО явилось открытие Хабблом смещения спектральных линий излучения звезд в сторону красного света, так называемое «красное смещение», свидетельствующее о том, что Вселенная, в которой мы обитаем, не статична, а расширяется, так что всевозможные галактики разбегаются. Этот результат дал мощный импульс для развития на базе ОТО науки о происхождении и эволюции Вселенной – космологии.

Свойства пространства и времени.

Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках.

Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

Пространство и время объективны и реальны, т. е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о ней.

Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени.

Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин координат. В прямоугольной декартовой системе координат, это – X,Y,Z, называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат – радиус-вектор r и углы α и β. В цилиндрической системе – высота z , радиус-вектор r и угол α .

В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться, время – необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будущему.

Необратимость времени в макроскопических процессах находит свое воплощение в законе возрастания энтропии. В обратимых процессах энтропия (мера внутренней неупорядоченности системы) остается постоянной, в необратимых – возрастает. Реальные процессы всегда необратимы. В замкнутой системе максимально возможная энтропия соответствует наступлению в ней теплового равновесия: разности температур в отдельных частях системы исчезают и макроскопические процессы становятся невозможными. Вся присущая системе энергия превращается в энергию неупорядоченного, хаотического движения микрочастиц, и обратный переход тепла в работу невозможен.

Пространство обладает свойством однородности – равноправие всех его точек и изотропности – равноправие всех направлений. Время однородно; во времени все точки равноправны, не существует преимущественной точки отсчета, любую можно принимать за начальную. Указанные свойства пространства и времени связаны с главными законами физики - законами сохранения. Если свойства системы не меняются от преобразования переменных, то ей соответствует определенный закон соответствия. Это – одно из существенных выражений симметрии в мире. Симметрии относительно сдвига времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (однородности пространства) – закон сохранения импульса; симметрии по отношению поворота координатных осей (изотропности пространства) – закон сохранения момента импульса или углового момента. Из этих свойств вытекает и независимость пространственно-временного интервала, его инвариантность и абсолютность по отношению ко всем системам отсчета.