2.2.3 Неклассическая наука

1. Релятивистская картина мира

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 10⁸ м/с.

- Законы природы и выражающие их уравнения инвариантны во всех ИСО.

Эти постулаты легли в основу специальной теории относительности (СТО). Cправедливости ради следует отметить, что 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 Лорентц 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 (Рис. 4). 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.

Y

l (СТО) m, t (СТО)

m, l, t (классическая механика)

V

Рис. 4 Зависимость m, l, t от скорости движения тела в классической и релятивистской механиках

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.

Большинство выводов ОТО пока невозможно достаточно полно подтвердить, их доказательство находится либо за пределами точности современной измерительной аппаратуры, либо относится к космическим объектам, которые пока не удалось обнаружить. 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. На сегодняшний день нет сколько-нибудь достойной гипотезы, способной полностью разрешить это противоречие.

В рамках ОТО Эйнштейном была установлена эквивалентность между инертной и тяготеющей массами, между массой и энергией и получено уравнение, связывающее их:

E = 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. Но что произойдет, если ее положения перенести на микромир? Не придется ли вводить некую фундаментальную длину L - своеобразный квант пространства? Если это окажется возможным, то не придется ли вводить и квант времени L/c ? Существование этих квантов поставит предел делимости материи и ограничение точности измерений пространственных размеров и временных интервалов.