Экзамен / КСЕ (Концепции современного естествознания) / lekcii_estestvoznanie / 05-КСЕ / КСЕ-Лекции / 06-Теория относительности

И.Гордеев, А.Горелов. КСЕ. Лекция 06. 6

Лекция 06. Релятивистская физика: теория относительности

1/ Физика и редукционизм .

2/ Физика и наглядность

3/ Теория относительности

1. Физика и редукционизм

В этой теме мы дадим как бы моментальную фотографию современ­ного строения мира. Поможет нам одна из наиболее древних и фун­даментальных наук — физика. Физика — главная из естественных наук, поскольку в буквальном переводе с греческого слово «фюзис» означает «природа». Стало быть, физика — наука о природе. Физика всегда считалась эталоном научного знания. В каком смысле? Не в том, что она дает наиболее важное и истинное знание, а в том, что от­крывает истины, справедливые для всей Вселенной, о соотношении нескольких основных переменных. Ее универсальность обратно про­порциональна количеству переменных, которые она вводит в своп формулы.

Как атомы и кварки — «кирпичики» мироздания, так законы физики — «кирпичики» познания. «Кирпичиками» познания законы физики являются не только потому, что в них используются некото­рые основные и универсальные переменные и постоянные, действу­ющие во всей Вселенной, но также и потому, что в науке действует принцип редукционизма, гласящий, что все более сложные законы развития более сложных уровней реальности должны быть сводимы к законам более простых уровней.

Скажем, законы воспроизводства Жизни в генетике раскрыва­ются на молекулярном уровне как законы взаимодействия молекул ДНК и РНК. Согласованием законов различных областей материаль­ного мира занимаются специальные пограничные науки, такие, как молекулярная биология, биофизика, биохимия, геофизика, геохи­мия и т. д. Очень часто новые науки образуются как раз на стыках бо­лее древних дисциплин.

Относительно сферы применимости принципа редукциониз­ма в методологии науки ведутся ожесточенные споры, но само объяс­нение как таковое всегда предполагает сведения, объясняемого на бо­лее низкий понятийный уровень. В этом смысле наука просто под­тверждает свою рациональность.

Физики утверждают, что ни одно тело во Вселенной не может не подчиняться закону всемирного тяготения, а если его поведение противоречит данному закону, значит вмешиваются другие законо­мерности. Самолет не падает на землю благодаря своей конструкции и двигателю. Космический корабль преодолевает земное тяготение за счет реактивного топлива и т. п. Ни самолет, ни космический ко­рабль не отрицают закон всемирного тяготения, а используют фак­торы, которые нейтрализуют его действие

Можно отрицать законы философии, религию, мистические чудеса, и это признается нормальным. Но с подозрением смотрят'на человека, который отрицает законы науки, скажем, закон всемирно­го тяготения. В этом смысле можно сказать, что законы физики ле­жат в основании научного постижения действительности.

2. Физика и наглядность

Два обстоятельства мешают понять современную физику. Во-пер­вых, применение сложнейшего математического аппарата, который надо предварительно изучить. А. Эйнштейн сделал удачную попыт­ку преодолеть эту трудность, написав учебник, в котором нет ни од­ной формулы. Но есть другое обстоятельство, которое оказывается непреодолимым—невозможность создать наглядную модель совре­менных физических представлений: искривленное пространство; частицу, одновременно являющуюся волной и т. д. Выход из ситуации прост—не на до и пытаться это сделать.

Прогресс физики (и науки в целом) связан с постепенным от­казом от непосредственной наглядности. Как будто такой вывод дол­жен противоречить тому, что современная наука и физика прежде всего основывается на эксперименте, т. е. эмпирическом опыте, который проходит при контролируемых человеком условиях и может быть воспроизведен в любое время любое число раз. Но все дело в том, что некоторые стороны реальности незаметны для поверхностного наблюдения и наглядность может ввести в заблуждение. Меха­ника Аристотеля покоилась на принципе: «Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие». Он оказался соответствующим реальности просто потому, что не за­мечалось, что причиной остановки тела является трение. Для того, чтобы сделать правильный вывод, потребовался эксперимент, кото­рый был не реальным экспериментом, невозможным в данном слу­чае, а экспериментом идеальным.

Такой эксперимент провел великий итальянский ученый Галилео Галилей, автор «Диалога о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой» (1632 г.). Для того, чтобы данный мыс­ленный эксперимент стал возможным потребовалось представление об идеально гладком теле и идеально гладкой поверхности, исключа­ющей трение. Эксперимент Галилея, позволивший сделать вывод, что если ничто не будет влиять на движение тела, оно сможет про­должаться бесконечно долго, стал основой классической механики Ньютона (вспомним три закона движения из школьной программы физики). В 1686 году Исаак Ньютон предоставил Лондонскому коро­левскому обществу свои «Математические начала натуральной фи­лософии», в которых сформулировал основные законы движения, закон всемирного тяготения, понятия массы, инерции, ускорения. Так благодаря мысленным экспериментам стала возможной новая механистическая картина мира.

Возможно на знаменитые мысленные эксперименты Галилея подвигло создание гелиоцентрической системы мира выдающимся польским ученым Николаем Коперником (1473-1543), ставшее еще одним примером отказа от непосредственной наглядности. Главный труд Коперника «Об обращении небесных миров» подвел итог его на­блюдениям и размышлениям над этими вопросами в течение более 30 лет. Датский астроном Тихо Браге (1546-1601) ради спасения на­глядности выдвинул в 1588 году гипотезу, согласно которой вокруг Солнца вращаются все планеты за исключением Земли, последняя неподвижна и вокруг нее обращаются Солнце с планетами и Луна. И только Иоганн Кеплер (1571-1630), установив три закона планетар­ных движений, носящих его имя (первые два -в 1609, третий—в 1618 г.) окончательно подтвердил справедливость учения Коперника.

Итак, прогресс науки Нового времени определили идеализи­рованные представления, порывающие с непосредственной реаль­ностью. Однако, физика XX века заставляет нас отказаться не толь­ко от непосредственной наглядности, но и от наглядности как тако­вой. Это препятствует представлению физической реальности, но позволяет лучше осознать справедливость слов Эйнштейна, что «физические понятия суть свободные творения человеческого разу­ма и не однозначно определены внешним миром» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики.- С. 30). «В нашем стремлении понять ре­альность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять меха­низм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, ^} которая отвечала бы всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения» (Там же.- С. 30).

Отказ от наглядности научных представлений является неиз­бежной платой за переход к исследованию более глубоких уровней реальности, не соответствующих эволюционно выработанным меха­низмам человеческого восприятия.

3. Теория относительности

Еще в классической механике был известен принцип относитель­ности Галилея: «Если законы механики справедливы в одной сис­теме координат, то они справедливы и в любой другой системе, дви­жущейся прямолинейно и равномерно относительно первой» (Эйн­штейн А., Инфельд Л. Эволюция физики.- С. 130). Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиня­ется закону инерции, гласящему: «Всякое тело сохраняет состоя­ние покоя или равномерного прямолинейного движения, если толь­ко оно не вынуждено изменить его под влиянием движущих сил» (Там же.-С. 126).

В начале XX века выяснилось, что принцип относительности справедлив также в оптике и электродинамике, т. е. в других разде­лах физики. Принцип относительности расширил свое значение и теперь звучал так: любой процесс протекает одинаково в изолиро­ванной материальной системе, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Или: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.

После того, как физики отказались от представления о суще­ствовании эфира как всеобщей среды, рухнуло и представление об равнозначными, и принцип относительности стал универсальным. Относительность в теории относительности означает, что все сис­темы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преиму­щества перед другими (относительно которой эфир был бы непо­движен).

Переход от одной инерциальной системы к другой осуществ­лялся в соответствии с преобразованиями Лоренца. Однако экспери­ментальные данные о постоянстве скорости света привели к пара­доксу, для разрешения которого понадобилось введение принципи­ально новых представлений.

Пояснить сказанное поможет следующий пример. Предполо­жим, что мы плывем на корабле, движущемся прямолинейно и равно­мерно относительно берега. Все законы движения остаются здесь та­кими же, как на берегу. Общая скорость движения будет определять­ся суммой движения на корабле и движения самого корабля. При скоростях, далеких от скорости света, это не приводит к отклонению от законов классической механики. Но если наш корабль достигнет скорости, близкой к скорости света, то сумма скорости движения ко­рабля и на корабле может превысить скорость света, чего на самом деле не может быть, так как в соответствии с экспериментом Майкельсона — Морли «скорость света всегда одинакова во всех системах координат, независимо от того, движется ли излучающий источ­ник или нет, и независимо от того, как он движется» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 140).

Пытаясь преодолеть возникшие трудности, в 1904 году X. Лоренц предложил считать, что движущиеся тела сокращают­ся в направлении своего движения (причем коэффициент сокра­щения зависит от скорости тела) и что в различных системах от­счета измеряются кажущиеся промежутки времени. Но в следую­щем году А. Эйнштейн истолковал кажущееся время в преобразованиях Лоренца как истинное.

Как и Галилей, Эйнштейн использовал мысленный экспери­мент, который получил название «поезд Эйнштейна». «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со ско­ростью С в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме сложения скоростей наблю­датель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распрост­раняющемуся в направлении движения поезда, скорость С - V.» (Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.- С. 87). Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.

Рассматривая это противоречие, Эйнштейн предложил отка­заться от представления об абсолютности и неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит здравому смыслу и тому, что Кант называл условиями созерцания, поскольку мы не можем представить никакого пространства, кроме трехмерно­го, и никакого времени, кроме одномерного. Но наука совсем не обяза­тельно должна следовать здравому смыслу и неизменным формам чувственности. Главный критерий для нее — соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята. В свое время и представления о том, что Земля круг­лая и движется вокруг Солнца тоже казались противоречащими здравому смыслу и наблюдению, но именно они оказались справед­ливыми.

Пространство и время традиционно рассматривались в фило­софии и науке как основные формы существования материи, ответ­ственные за расположение отдельных элементов материи друг отно­сительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений. Характеристиками пространства считались одно­родность — одинаковость свойств во всех направлениях, и изотроп­ность - независимость свойств от направления. Время также счита­лось однородным, т. е. любой процесс в принципе повторим через не­который промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное, а время как одно- мерное и идущее в одном направлении — от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены зна­ка времени на противоположный ничего не меняется и стало быть физически будущее неотличимо от прошедшего.

В истории науки известны две концепции пространства: про­странство неизменное как вместилище материи (взгляд Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находя­щихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относи­тельности любое тело определяет геометрию пространства.

Из специальной теории относительности следует, что длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и, длительность (а также ритм) происходящих в нем процессов явля­ются не абсолютными, а относительными величинами. При прибли­жении к скорости света все процессы в системе замедляются, про­дольные (вдоль движения) размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновре­менными для другого, движущегося относительно него. «Стержень сократится до нуля, если его скорость достигнет скорости света... ча­сы совершенно остановились бы, если бы они могли двигаться со ско­ростью света» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 158).

Экспериментально подтверждено, что частица (например, ну­клон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно нее частице как сферическая, а по отношению к нале­тающей на нее с очень большой скоростью частице — как сплющен­ный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного пи-мезона составляет пример­но 10"⁸ сек, а быстро движущегося (с околосветовой скоростью) — во много раз больше. Итак, пространство и время—общие формы коор­динации материальных явлений, а не самостоятельно существую­щие независимо от материи начала бытия.

Найденное Эйнштейном объединение принципа относитель­ности Галилея с относительностью одновременности получило на­звание принципа относительности Эйнштейна. Понятие относитель­ности стало одним из основных в современном естествознании.

В специальной теории относительности свойства простран­ства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не являются инерциальными. Общая теория относитель­ности распространяет законы природы на все, в том числе на не-инерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила нью­тонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. «Схематически мы можем сказать: переход от ньютонова закона тяготения в общей относительности до некото­рой степени аналогичен переходу от теории электрических жид- костей и закона Кулона к теории Максвелла» (Эйнштейн А.,

Инфельд Л. Цит. соч.- С. 196). И здесь физика перешла от веществен­ной к полевой теории.

Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру элект­ромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни.только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов» (Там же.- С. 120). Представление о поле победило механицизм.

Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связы­вают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент только что протек­ший» (Там же.- С. 120). Это существенно новый момент полевой кар­тины мира. Электромагнитные волны распространяются со скоро­стью света в пространстве и аналогичным образом действует грави­тационное поле.

Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относи­тельности, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с тече­нием времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределе­ния масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяже­ний, имеющихся в телах, от электромагнитного и всех других физи­ческих полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.

При переходе к космическим масштабам геометрия простран­ства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движе­ния. В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяет­ся со временем вследствие расширения метагалактики. При скоро­стях, приближающихся к скорости света, при сильном поле прост­ранство приходит в сингулярное состояние, т. е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микроми­ром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая меха­ника остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.

Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения.

Время и прост­ранство перестали рассматриваться независимо друг от друга и воз­никло представление о пространственно-временном четырехмерностей и закона Кулона к теории Максвелла» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 196). И здесь физика перешла от веществен­ной к полевой теории.

Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру элект­ромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов» (Там же.- С. 120). Представление о поле победило механицизм.

Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связы­вают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент только что протек­ший» (Там же.- С. 120). Это существенно новый момент полевой кар­тины мира. Электромагнитные волны распространяются со скоро­стью света в пространстве и аналогичным образом действует грави­тационное поле.

Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относи­тельности, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с тече­нием времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределе­ния масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяже­ний, имеющихся в телах, от электромагнитного и всех других физи­ческих полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.

При переходе к космическим масштабам геометрия простран­ства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движе­ния. В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяет­ся со временем вследствие расширения метагалактики. При скоро­стях, приближающихся к скорости света, при сильном поле прост­ранство приходит в сингулярное состояние, т. е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микроми­ром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая меха­ника остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.

Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и прост­ранство перестали рассматриваться независимо друг от друга и воз­никло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

Теория относительности связала также массу и энергию соот­ношением Е=МС², где С — скорость света. В теории относительности «два закона — закон сохранения массы и сохранения энергии — по­теряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом со­хранения энергии или массы» (Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое.- М., 1989.- С. 69). Явление аннигиляции, при котором частица и античастица взаимно уничтожают друг друга, и другие яв­ления физики микромира подтверждают данный вывод.

Итак, теория относительности основывается на постулатах по­стоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех фи­зических системах, а основные результаты, к которым она приходит таковы: относительность свойств пространства-времени; относитель­ность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс (следствие отмеченного еще Галилеем, что все тела, независимо от их состава и массы падают в поле тяготения с одним и тем же ускорением).

До XX века были открыты законы функционирования вещест­ва (Ньютон) и поля (Максвелл). В XX веке неоднократно предприни­мались попытки создать единую теорию поля, в которой соедини­лись бы вещественные и полевые представления которые, однако, оказались безуспешными.

В 1967 году была выдвинута гипотеза о наличии тахионов — ча­стиц, которые двигаются со скоростью, большей скорости света. Если эта гипотеза когда-нибудь подтвердится, то возможно, что из очень не­уютного для обычного человека мира относительности, в котором по­стоянна только скорость света, мы снова вернемся в более привычный мир, в котором абсолютное пространство напоминает надежный дом со стенами и крышей. Но пока это только мечты, о реальной осуществимо­сти которых можно будет говорить наверное только в III тысячелетии.

В заключении данного раздела приведем слова из книги Гейзенберга «Часть и целое» о том, что же означает понимание как тако­вое. «Понимать» — это, по-видимому, означает овладеть представле­ниями, концепциями, с помощью которых мы можем рассматривать огромное множество различных явлений в их целостной связи, ины­ми словами, «охватить» их. Наша мысль успокаивается, когда мы уз­наем, что какая-нибудь конкретная, кажущаяся запутанной ситуа­ция есть лишь частное следствие чего-то более общего, поддающего­ся тем самым более простой формулировке. Сведение пестрого многообразия явлений к общему и простому первопринципу или, как сказали бы греки, «многого» к «единому», и есть как раз то самое, что мы называем «пониманием». Способность численно предсказать со­бытие часто является следствием понимания, обладания правильны­ми понятиями, но она непосредственно не тождественна пониманию» (Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое.- М., 1989.- С. 165).