2. Неклассическая наука.
2.1 Теория относительности.
Неклассическая наука и, соответственно, неклассическая естественно-научная картина мира во многом сформировались под воздействием двух разделов физики, возникших в XX в. – теории относительности и квантовой механики.
Теория относительности или релятивистская (лат. relativus - относительный) механика перевернула представления о пространстве, времени, строении материи и существенным образом повлияла на развитие научного мировоззрения. Сегодня она является общепризнанной теорией. Ее отцом по праву считают А. Эйнштейна (1879-1955). В 1905 году он опубликовал статью «К электродинамике движущихся сред», идея которой заключалась в том, что при описании явлений природы нужно отказаться от ньютоновских понятий абсолютного пространства и абсолютного времени. А. Эйнштейн отказался от господствовавшей в то время теории мирового эфира, высказал и обосновал два постулата:
– скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) и равна 3∙108 м/с;
– законы природы и выражающие их уравнения инвариантны во всех ИСО.
Эти постулаты легли в основу специальной теории относительности (СТО). Почва для ее рождения готовилась физикой всю вторую половину XIX века. Ее математический аппарат был заложен в работах немецкого математика и физика, Г.Минковского (1864-1909) и А.Пуанкаре (1854-1912) - крупнейшего французского математика, физика и философа. Значительный вклад в ее становление внесли американец А.Майкельсон (1852-1931), англичанин Фицджеральд (1851-1901) и нидерландский физик Г.Лорентц (1853-1928). Майкельсон измерил скорость света и доказал ее постоянство. Она оказалась равной ~ 300 000 км/с. Это огромная скорость по сравнению со всеми наблюдаемыми в природе скоростями. Например, скорость современного самолета ~ 0,5 км/c, орбитальная скорость движения Земли ~ 30 км/с. Фицджеральд и Лоренц объяснили результаты опытов Майкельсона и предложили гипотезу о сокращении линейных размеров тел, движущихся с околосветовыми скоростями. Но лишь глубокая интуиция и понимание физической природы реальности, присущие А. Эйнштейну, помогли ему связать физику с геометрией и сформировать представления о пространстве, времени и гравитации, отличные от классических.
В СТО пространство и время связаны через движение, а положение тела описывается четырьмя координатами: x, y, z, t. Теперь уже речь идет не просто о пространстве или просто о времени, а о «пространстве-времени», которое характеризуется величиной, называемой интервалом, и связывающей пространственные расстояния и промежутки времени, разделяющие два события. Интервал является инвариантом. Свойства объектов (масса, длина) и время протекания процессов зависят от скорости движения системы отсчета, в которой находится объект или протекает процесс. С увеличением скорости тел возрастает их масса, а линейные размеры в направлении движения сокращаются, замедляется время протекания процессов. Одновременность двух событий, протекающих в разных ИСО относительна. Иной, чем в классической механике вид имеет и закон сложения скоростей. Уравнения СТО, описывающие движение тел со скоростями, близкими к скоростям света, составляют основу релятивистской механики. При малых скоростях движения (v << c) эти уравнения переходят в уравнения классической механики. В этом проявляется важнейший методологический принцип естествознания – принцип соответствия, выражающий требование преемственности знаний при переходе от более сложных моделей мира к более простым.
СТО, раскрыв взаимосвязь пространства и времени между собой, не смогла ответить на вопросы о том, как связаны они с телами, находящимися в пространстве, и полями тяготения. Процесс поиска ответа на эти вопросы завершился построением общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что сами материальные тела, их распределение в пространстве и движение полностью определяют геометрию пространства и свойства времени. Вблизи массивных тел силовые линии гравитационного поля искривляются и пространство становится римановым. Принцип относительности в ОТО приобретает еще более общую форму: движение тел в неинерциальной системе отсчета подчиняется тем же законам, что и движение в инерциальной системе в присутствии гравитационного поля. Современная наука сумела поставить лишь несколько подтверждающих экспериментов. Попытки теоретических расчетов также в ряде случаев дают противоречивые результаты. Например, модельные расчеты полей тяготения для материальной точки и шара показали, что эти тела создают вокруг себя поле, энергия которого равна нулю. Для того, чтобы снять это противоречие, Эйнштейну пришлось ввести допущение, что гравитационное поле не имеет энергии в отдельной точке пространства, она как бы принадлежит всему полю в целом. В рамках ОТО Эйнштейном была установлена эквивалентность между инертной и тяготеющей массами, между массой и энергией и получено уравнение, связывающее их:
Е=mc2. Масса и энергия проявляются одна через другую. И в элементарных актах превращения они могут переходить одна в другую. Такая интерпретация позволяет объяснить кажущееся невыполнение закона сохранения массы при радиоактивном распаде, когда масса распадающейся частицы оказывается большей, чем сумма масс образовавшихся частиц. Очевидно, здесь необходимо говорить не о законах сохранения массы или энергии, а о законе сохранения массы-энергии. Несмотря на то, что наука пока не имеет фактов, опровергающих выводы теории относительности, необходимо понять, что это тоже физическая модель, которая имеет определенные ограничения: ее выводы справедливы в макромире.