14. Двадцатый век

Одной из загадок, перешедших по наследству из 19 в., была “неудача” опыта Майкельсона, на основании которого эфир должен был увлекаться Землей при ее вращении, что противоречило астрономическим наблюдениям аберрации. Это расхождение пытались объяснить, принимая во внимание лоренцево сокращение - сокращение того оптического плеча, которое расположено в направлении вращения Земли, именно оно могло компенсировать разность оптического хода в двух плечах интерферометра Майкельсона. Но это была гипотеза ad hoc (на данный случай).

Примерно в то же время Г.А.Лоренц написал систему из 5 уравнений электродинамики, инвариантных по отношению к преобразованиям Лоренца, но не Галилея. А до этого Г.Герц дал свою систему уравнений, которая была инвариантна к преобразованиям Галилея. Возникло еще одно противоречие - между классической механикой и электродинамикой.

Физика конца 19 - начала 20 в. находилась под известным влиянием философии австрийского физика Эрнста Маха (1838-1916). Он возражал против ньютоновского понятия массы как количества вещества. Считал также, что цель науки - экономия опыта, путем замены его мысленным изображением фактов.

14.1. Специальная теория относительности

Согласование механики и электродинамики получило новый импульс после появления работы А.Эйнштейна “К электродинамике движущихся тел” в 1905 г. Абсолютное ньютоново время нужно заменить “временами” различных систем отсчета. “Местное время” Лоренца у Эйнштейна получило конкретное физическое содержание. Были установлены два принципа специальной теории относительности (СТО):

Принцип относительности. Законы, управляющие всеми физическими явлениями одни и те же для двух наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно др. относительно друга. Постоянство скорости света. Свет в пустоте распространяется с одинаковой скоростью, независимо от движения источника и наблюдателя. Часы на движущемся предмете замедляют свой ход, и наблюдателю, находящемуся “в покое”, кажется, что на движущемся объекте время течет медленнее.

Существует теоретически мыслимый “эффект близнецов”, который заключается в том, что улетевший с околосветовой скоростью с Земли человек, вернувшись, застает своего брата-близнеца состарившимся гораздо сильнее, чем он сам.

Но вышеуказанный эффект можно трактовать совершенно по-иному[17, т.2, с.27]. Дело в том, что для возвращения улетевшему брату пришлось бы двигаться по замкнутой(криволинейной) траектории, т.е. с ускорением. Тогда задача принадлежит уже не специальной, а общей теории относительности [37]. Но и в этом случае относительность движения не позволяет установить, какой из братьев должен состариться сильнее: оставшийся или улетевший. Таким образом, парадокс остается, только "перемещается" из СТО в ОТО.

Если в классической механике возможны сколь угодно большие скорости, то в СТО - скорость света предельна. Но со скоростью распространения светового сигнала связана экспериментальная реализация понятия одновременности. И это, возможно, наиболее радикальное изменение во взглядах на пространство и время, внесенное СТО. Закон сложения скоростей в классической механике в СТО , где и - скорости "продольных" складываемых движений, - суммарная скорость, а - скорость света.

Классическая механика ввела две субстанции: вещество и энергию и два закона сохранения. СТО свела их к одной субстанции и к одному закону сохранения: массы-энергии. Масса и энергия преобразуются друг в друга по закону . Эта формула получена Эйнштейном в 1907 г.