Современная физическая картина

В начале XX в. кризис в физике разрешается с созданием двух новых способов физического познания — релятивистского и квантового. На их основе формируется неклассическая физика и новая, современная физическая картина мира.

Создание специальной теории относительности

В начале XX в. на смену классической механике пришла новая фундаментальная теория А. Эйнштейна — специальная теория относительности (СТО). Она позволила непротиворечиво объяснить закономерности электромагнитных явлений в движущихся телах. Скорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо от того, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того, как он движется. В сентябре 1905 г. в немецком журнале «Annalen der Physik» появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Он пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, т.е. к выводу, что и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны. Следовательно, понятие одновременности относительное. События, которые являются одновременными для одного наблюдателя, не одновременны для другого наблюдателя, движущегося относительно первого.

У Эйнштейна эти преобразования имеют иной смысл: одно и то же тело имеет различную длину, если оно движется с различной скоростью относительно системы, в которой эта длина измерялась. То же самое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимися с различной скоростью часами. В специальной теории относительности размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывался классической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящих от выбора системы отсчета, с помощью которой проводилось их измерение.

Кроме формул преобразований координат и времени Эйнштейн получает также релятивистскую формулу сложения скоростей, показывает, что масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в соотношении Е = mс².

Создание и развитие общей теории относительности

Принципы и понятия эйнштейновской теории гравитации.

Создание А. Эйнштейном в 1915—1916 гг. новой (неклассической) теории гравитации — общей теории относительности (ОТО). Здесь в центре внимания оказалось понятие неинерциальных систем отсчета.

Силы инерции в ускоренной системе отсчета эквивалентны гравитационному полю. Итак, с точки зрения ОТО пространство нашего мира не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения. И время в разных точках течет по-разному. В ОТО используют нежесткие (деформирующиеся) тела отсчета, поскольку в гравитационных полях не существует твердых тел и ход часов зависит от состояния этих полей. ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени, допускает возможность гравитационных волн. Гравитационные волны создаются переменным гравитационным полем, неравномерным движением масс и распространяются в пространстве со скоростью света.

Экспериментальная проверка общей теории относительности.

Распространение выводов ОТО на оптические явления приводит к ряду необычных следствий — явлению красного смещения спектров звезд и отклонению светового луча под действием этого поля.

Современное состояние теории гравитации и ее роль в физике.

Физики давно признали, что ОТО дает наилучшее из известных описание пространства-времени и гравитации. Тем более что на основе ОТО были развиты два фундаментальных направления современной физики: геометризированные единые теории поля и релятивистская космология.

Так, происходит кажущееся нарушение причинности, когда при падении в «черную дыру» исчезают элементарные частицы. В связи с изменениями топологии теряет свой однозначный смысл понятие расстояния (загадочная неоднозначность расстояний до квазаров — их движение относительно друг друга происходит со скоростями, которые чуть ли не в 25 раз (!) превышают скорость света). Как любая физическая теория, ОТО имеет свою область применимости.

Она не распространяется на квантовые эффекты в гравитации, которые проявляют себя на расстояниях 10^-33 см, в точке сингулярности, черных дырах и др. Квантовая физика базируется на квантовой механике – теории, описывающей законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), т.е. законы микромира.