Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация I

цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает

цве-

товой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами — \

бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы

глюо-

нами

(от англ.

%1ие

— клей). Они, подобно фотонам, имеют спин,

равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное

взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаи-

модействие имеет очень ограниченный радиус действия — до

10~

см (порядка атомного ядра).

Как было отмечено ранее, все фундаментальные взаимодей-

ствия зависят от расстояния между зарядами: с уменьшением

расстояния

межпу

ними сила взаимодействия возрастает (обрат-

но пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие

тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но

прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля

цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они

ближе друг к другу. На малых расстояниях кварки перестают

влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Такое

свойство кварков получило название асимптотической свободы.

Но как только расстояние между кварками начинает увеличи-

ваться, сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух час-

тиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно боль-

шая энергия. Лишь в первые моменты после Большого взрыва

существовавшие тогда огромные температуры позволяли сво-

бодное существование кварков. Но сейчас попытка разорвать

связь между кварками приведет к тому, что глюонные струны

между ними будут натягиваться все сильнее, в результате воз-

никнут новые кварки и антикварки, которые соединятся с

пер-

вичными частицами и образуют новые адроны. Именно это и

наблюдается в опытах на ускорителях.

До открытия кварков и цветового взаимодействия фундамен-

тальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее про-

тоны и нейтроны в ядрах атомов. Но с открытием кваркового

уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать

цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в

адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными,

они должны как-то выражаться через цветовые силы.

Теория предполагает, что при сближении барионов (прото-

нов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10~

см, они те-

ряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен меж-

ду кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллек-

206

тивный характер. В результате такого взаимодействия кварки

всех барионов связываются в единую систему — атомное ядро.

Таким образом, ядерные силы — это только отголоски цве-

товых сил, слабое подобие настоящего сильного взаимодейст-

вия. Не случайно для того, чтобы расколоть атомное ядро, нуж-

на совсем небольшая энергия. Расколоть же протон или ней-

трон невозможно.

9.7. Теории Великого объединения

и Суперобъединения

Заветная мечта всех физиков — выявить универсальность трех

фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия

в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаи-

модействий в единое электрослабое взаимодействие стало первым

обнадеживающим успехом на этом пути. Поэтому физики-теоре-

тики с 1974 г. пытаются создать теорию Великого объединения

взаимодействий, в которых электромагнитное, слабое и сильное

взаимодействия будут рассматриваться как различные

проявле-

ния единого поля. При этом физики исходят из уже известного

факта, что константы этих трех фундаментальных взаимодейст-

вий, в обычных условиях различающиеся на несколько поряд-

ков, могут становиться равными друг другу при определенной

величине энергии. Эту энергию, большую, чем

ГэВ,

назва-

ли энергией объединения. Также она проявляется на расстояниях

1О~

см. При таких условиях выявляется общая природа трех

указанных взаимодействий, кварки и лептоны становятся прак- •

тически неразличимыми.

Единое поле, которое образуется при таких условиях, должно

характеризоваться очень сложной симметрией, способной охва-

тить все калибровочные симметрии, известные как в квантовой

хромодинамике, так и в теории электрослабого взаимодействия.

Отыскание такой симметрии — главная задача физиков, без ре-

шения которой теория Великого объединения невозможна.

В простейшем варианте этой теории для превращения квар-

ков в лептоны требуется 24 поля. Половина из них известна, их

квантами являются: фотон, три тяжелых векторных бозона, во-

семь глюонов. Остальные 12 квантов — сверхтяжелые промежу-

точные бозоны, названные X и

У^частицами.

Они должны обла-

дать электрическим зарядом и цветом. Именно эти частицы, по

расчетам, поддерживают более широкую калибровочную сим-

метрию и могут перемешивать кварки и лептоны.

207

Считается, что проявление этих полей возможно при сверх-

высоких энергиях. По мере понижения энергии Великое объе- I

динение сначала распадается на сильное и электрослабое взаи-

модействия. При дальнейшем уменьшении энергии электросла-

бое взаимодействие разделяется на электромагнитное и

слабое!

взаимодействия.

Из этой теории вытекает ряд неоднозначных следствий: воз-

можность распада протона и существование магнитных моно-

полий

(магнита с одним полюсом). Подобные факты

эксперимент

тально обнаружить до сих пор не удалось. Обнаружить опытным

путем существование

А"

У-бозонов

невозможно, так как необхо-

димые для этого энергии недоступны человеку. Современные ус-

корители достигают энергии только в 100 ГэВ, а нужно создать

энергию в

ГэВ. Поэтому сегодня физики пытаются найти

следы существования таких частиц на ранних стадиях эволюции I

Вселенной, наблюдая за космическими процессами.

Физики пытаются построить еще более грандиозную теорию

Суперобъединения, Она должна

объединить'

все четыре фундамен-

тальных взаимодействия, включая гравитационные силы. Эта

теория строится на базе суперсимметрии и теории суперструн.

Исходной идеей в данной теории является утверждение, что

в основе нашего мира лежит симметрия. Поэтому квантовая фи-

зика высказывает предположение о существовании полной сим-

метрии в описании вещества и поля, фермионов и бозонов. Это

значит, что между этими частицами должно существовать пол-

ное физическое равноправие, они могут переходить друг в друга.

Возможность такого перехода была открыта в 70-е годы и полу-

чила название суперсимметрии. Считается, что фермионы и бо-

зоны, являющиеся частицами с разными спинами, входят в од-

но семейство частиц, обладающих некоторым значением

супер-

спина. Каждой известной сегодня частице должен соответство-

вать суперпартнер — частица со спином, отличающимся на 1/2.

Так, суперпартнер фотона —

фотино

со спином 1/2, суперпартнер

гравитона — гравитино со спином 3/2 и

тд.

Есть также частицы

вино, зино, глюино. В одной из теоретических моделей сведены

воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2; 28 час-

тиц со спином

8 частиц со спином 3/2; 1 частица со спином 2.

Описание гравитации на языке суперсимметрии получило

название

супергравитцции.

От обычной гравитации она отлича-

ется тем, что гравитон здесь уже не единственный переносчик

гравитационного взаимодействия. Таких частиц целое семейст-

во, в том числе и уже упоминавшиеся нами частицы гравитино.

208

Если данная теория верна, то мы получаем основу для полного

объединения, в рамках которого весь мир управляется единствен-

ной суперсилой, проявляющей себя разными гранями — электро-

магнитным, слабым, сильным, гравитационным взаимодействиями.

Но все эти грани связаны между собой суперсимметрией. Данная

теория еще не получила экспериментального подтверждения.

Благодаря идее суперсимметрии новую жизнь получила теория

спрун,

создателями которой стали английский физик

М.

Грин и

американский физик Д. Шварц (сегодня ее называют теорией су-

перструн). Они попытались отказаться от уже привычного описа-

ния элементарных частиц как точечных объектов. Эта теория

описывает некие протяженные объекты — струны. Они являют-

ся протяженными, хотя и одномерными объектами, и представ-

ляют

собой отрезки либо со свободными концами, либо соеди-

ненными в виде восьмерки. Их размеры — примерно

10~

см

Iпланковская

длина).

В данной теории понятие струны становится синонимом по-

нятия микрочастицы или локализованного в пространстве объ-

екта. Все частицы, которые известны и, может быть, будут от-

крыты в будущем, представляют собой определенное возбуж-

денное состояние струны. Эти возбужденные состояния струн

можно сравнить с набором гармоний, вызываемым колебанием

скрипичной струны. Более высокие гармонии струны будут на-

блюдаться как новые частицы с массой, больше массы преды-

дущих частиц. Полагают, что высшие гармонии струн рождались

только на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда энергии

было в избытке. В обычных условиях существуют лишь состоя-

ния струн с минимальной энергией. Введение струны полностью

исключает точечные представления из структуры микромира, и

по сути эта теория сводит физику к геометрии очень сложных

пространств.

В теории суперструн помимо очень сложных и громоздких

вычислений есть некоторые трудности. В частности, она пред-

полагает, что на тех малых расстояниях, на которых существуют

струны, должны проявляться дополнительные пространственные

измерения. Есть варианты теорий для

11-мерного.

26-мерного и

т.д. пространств. Эти лишние измерения, возможно, компакти-

фицированы, т.е. свернуты в точки, замкнуты на себя и не рас-

пространяются в область макромира.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным след-

ствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц

должны быть, по расчетам, гипотетические частицы — тахионы.

209

Это частицы, имеющие мнимую массу и движущиеся со скоро-

стью, большей скорости света.

В последние годы некоторые ученые начали обсуждать

воз-

можность

существования еще одного взаимодействия — спинтор-

сионного,

фиксирующего

и передающего информацию

посредст-

вом

торсионного поля (поля кручения). Есть предположения,

что

эти поля обладают возможностью передавать информацию

прак-

тически без затрат энергии. Также принято считать, что

именно^

эти поля обеспечивают практически все известные сегодня пара-

психические феномены и биоинформационное (энергоинформа-

ционное) воздействие. С помощью этих технологий появилась

возможность диагностировать и лечить некоторые виды заболева-

ний, создавать средства защиты от геопатогенных воздействий и

вредных электромагнитных полей, разрабатывать новые конст-

рукционные материалы. Если существование таких полей под-

твердится, это вновь перевернет наши представления о мире.

|^?

Вопросы для обсуждения

Какие формы механического движения вам известны?

2. Чем отличаются друг от друга принципы дальнодействия и

близкодей-

3. Притягиваются ли люди друг к

другу?

4. Почему электрон не падает на ядро атома?

5. Что послужило доказательством того, что теория электрослабого

взаимодействия верна?

6. Что такое Стандартная модель?

7. Что такое суперсимметрия и супергравитация?

8. Что такое струны? Чем они отличаются от элементарных частиц?

Глав, 10

Концепции пространства

и времени в современном

естествознании

Важнейшей задачей естествознания является создание естест-

венно-научной картины мира. В процессе ее создания возникает

вопрос о происхождении и изменении различных материальных

продуктов и явлений, об их количественных и качественных ха-

рактеристиках. При этом оказывается, что физические, химиче-

ские и другие величины непосредственно или опосредованно за-

висят от изменения длин и длительностей, т.е. пространственно-

временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в

естествознании сформировались понятия пространства и времени.

10.1. Развитие представлений

о пространстве и времени

Для обыденных представлений пространство и время — не-

что привычное, известное и очевидное. С самых первых дней

после своего появления на свет ребенок начинает осознавать,

что существуют разные направления в окружающем его мире.

Вначале — это верх и низ, когда ребенок начинает вставать,

возникает ощущение переда и зада. В более старшем возрасте

различают правую и левую стороны. Тогда же осознается факт,

что любой предмет занимает определенное место относительно

других объектов, граничит с ними. Так постепенно, через осоз-

нание предельно

общих

свойств, отражающих структурную ор-

ганизацию окружающего нас мира, на основе наблюдения и

практического использования объектов, их объема и протяжен-

ности складывается понятие пространства.

Понятие о времени также складывается еще в детском воз-

расте, но позже, чем представление о пространстве. Примерно с

пяти лет ребенок начинает замечать смену дня и ночи. Несколь-

ко позже становится понятным деление суток на утро, день, ве-

211

чер и ночь. Тогда же появляется представление о течении

вре

мени,

о существовании сегодняшнего, вчерашнего и завтрашне-

го дней. Еще позже осознается возможность выделения как бо-

лее коротких (час, минута, секунда), так и более длинных про-

межутков времени (неделя, месяц, год).

Таким образом, время — это форма бытия материи, харак-

теризующая последовательность смены состояний и длительно-

сти существования любых объектов и процессов. Представление

о времени складывается на основе восприятия человеком сме-

ны событий, последовательной смены состояний предметов и

круговорота различных процессов.

Достаточно быстро человек осознает и то, что пространство

время очень тесно взаимосвязаны друг с другом. Ведь время

можно измерять мерой пространства — расстоянием, а

расстоя-

;

ние — мерами времени. Так, время можно измерять относитель-

ным положением стрелок на циферблате часов, расстояние —

временем, которое потребуется на дорогу до какого-либо объекта

(пять минут ходьбы от метро).

Естественно-научные представления о пространстве и време-

ни прошли длинный путь становления и развития. Уже в антич-

ности мыслители задумывались над природой и сущностью про-

странства и времени, хотя их рассуждения носили стихийный,

нередко противоречивый характер. Так, для Демокрита простран-

ство ассоциировалось с пустотой, в которой происходит вечное |

движение атомов. Оно было вместилищем материальных тел. В то

же время большинство древнегреческих философов (прежде всего

элеаты)

не признавали существования пустоты и тем самым свя- !

зывали существование пространства с материальными телами, I

характеристикой которых оно являлось.

Эти

идеи в завершенной

форме были высказаны в «Началах» Евклида, который считал

пространство однородным и бесконечным.

Реальный эмпирический базис и строгое теоретическое опи-

сание представления о пространстве и времени обрели в ходе

первой глобальной научной революции и в классической науке

Нового времени. Это было связано с развитием механики, кото-

рая описывала движение материальных тел, происходящее одно-

временно в пространстве и

времени.

Огромное значение для развития представлений о простран-

стве и времени имели работы Г. Галилея, который ввел в науку

идею инерции и классический принцип относительности. Со-

гласно этим принципам все физические явления происходят

одинаково во всех инерциальных системах, покоящихся или

дви-

212

жущихся

равномерно и прямолинейно друг относительно друга. В

результате такие характеристики тел, как длина и время, являют-

ся неизменными.

Следующий важный шаг был сделан Р. Декартом, который

связал физику и геометрию. Он ввел в науку координатную

систему, в которой состояние материального тела описывалось с

помощью трех пространственных (длина, ширина, высота) и од-

ной временной координаты. Он же первым стал отождествлять

пространство с протяженностью материальных объектов, отри-

цая при этом сушествование пустого пространства. Также Де-

карт связал время с длительностью материальных процессов, с

осознанием человеком этой длительности.

Вершиной классического естествознания стало творчество

И. Ньютона. Именно он ввел господствовавшие в науке до на-

чала XX в. представления о пространстве и времени, известные

как абсолютное пространство и абсолютное время. Это было сде-

лано в его знаменитой книге

«Математические

начала натураль-

ной

философии».

В ней Ньютон попытался объединить сущест-

вующие в науке точки зрения на пространство и время.

В своем описании, с одной стороны, он использовал пред-

ставления о пространстве и времени как о внешних условиях

бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы

даже при исчезновении материи. С другой стороны, он сохранял

понимание пространства и времени как протяженности и

дли-

тельности материальных объектов, существующих во Вселенной.

Раскрывая

сущность

пространства и времени, Ньютон пред-

лагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные,

математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) про-

странство и время.

Абсолютное пространство предстает как универсальное вме-

стилище себя и всего существующего в мире. Оно безотноси-

тельно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одина-

ковым и неподвижным. Его можно попытаться представить себе

в виде гигантского «черного

ящика»,

в который можно помес-

тить или убрать из него любые материальные тела.

Относительное пространство есть мера или какая-либо огра-

ниченная подвижная часть, которая определяется нашими чув-

ствами по положению ее относительно некоторых тел и которая

в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность

любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого

отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно. Его

213

можно представить в образе гигантской реки, которая будет

течь;

даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, пости-

гаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она

улотч

ребляется в обыденной жизни вместо истинного математического

времени. Это минута, час, день, месяц, год. .

Разграничение

абсолютного и относительного пространства

и времени, произведенное Ньютоном, связано со

спецификой

человеческого познания, которое происходит на двух уровнях —|

эмпирическом и теоретическом. На эмпирическом уровне

по-]

знания человек воспринимает пространство и время через

свои

органы чувств. Такое познание ограничено способностями

шь|

знающей личности и не может адекватно передать

реальность*

нашего мира. Лишь находясь на теоретическом уровне

познания^

человеческий разум способен представить пространство и время

как абсолютные, универсальные и

инерциальные

системы

отсчета.

Абсолютное пространство и время Ньютона предстают перед]

нами в качестве самодовлеющих элементов бытия, существую-'

щих вне и независимо от каких-либо материальных

процессов,,

как универсальные условия, в которые помещена материя. Это —!

«черный ящик», уже упоминавшийся выше. Такое

понимание'

пространства и времени свойственно субстанциальной концепции.

Конечно, у Ньютона пространство и время обладают не всеми

признаками субстанции (первоначала мира). Они абсолютно

самостоятельны и независимы от любых процессов, происходя-

щих в мире. Но в отличие от материи, они не обладают свойст-

вом субстанции порождать различные тела, сохраняться в их

основе при всех изменениях тел. Правда, Ньютон считал, что

как материя, так и пространство и время подвластны Богу, ко-

торый является единственной

подлинной

реальностью.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном,

выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний на-

учный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил реляционную

концепцию пространства и времени, отказывающую им в само-

стоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц

рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а

время — как порядок отношения и последовательность событий.

Иными словами, он подчеркивал неразрывную связь материи с

пространством и временем.

Но взгляды Лейбница не смогли переубедить ученых, уве-

ренных в правоте Ньютона. Сформулированные Ньютоном за-

коны движения и закон всемирного тяготения, ставшие основой

214

классической механики, основывались на понятиях абсолютного

пространства и времени. Поэтому на некоторые недостатки

идей Ньютона предпочли не обращать внимания.

Ньютоновское пространство считалось бесконечным, плоским,

евклидовым. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, од-

нородное и изотропное (одинаковое по всем направлениям).

Это пространство выступало в качестве вместилища материальных

тел, оно было независимой от этих тел инерциальной системой.

Абсолютное время было однородным и равномерно теку-

щим, одинаковым во всей Вселенной. Оно служило универсаль-

ной длительностью, независимой системой отсчета любых про-

цессов во Вселенной.

Лишь в середине XIX в., когда Максвеллом была создана тео-

рия электромагнитного поля, ученым пришлось признать возмож-

ность ошибки, задуматься о замене абсолютных пространства и

времени относительными. Тем не менее, инерция мышления была

так велика, что еще несколько десятилетий признавалось сущест-

вование мирового эфира как абсолютной системы отсчета, стоя-

щей в одном ряду с абсолютными пространством и временем.

Существуют также такие концепции пространства и време-

ни, которые ставят их в зависимость от человеческого сознания.

Известные философы и ученые Беркли, Мах, Авенариус выво-

дили пространство и время из способности человека переживать

и упорядочивать события, располагать их одно подле другого.

Так, И. Кант рассматривал пространство и время как априорные

(доопытные)

формы чувственного созерцания, вечные категории

сознания. В качестве аргумента он использовал ссылку на гео-

метрию Евклида, неизменную в течение двух тысячелетий.

В других концепциях проблема пространства и времени рас-

сматривалась во взаимосвязи с концепциями

блюкодействия

л]алънодействия.

Дальнодействие мыслилось как мгновенное рас-

гЛространение

гравитационных и электрических сил через пустое

абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную

1Дель

благодаря божественному провидению. Концепция же

близ-

)Содействия

(Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с

[пониманием пространства как относительного, как протяженности

тещества

и эфира, в котором свет распространялся с конечной

Лкоростью

в виде волн.

Это

привело в дальнейшем к понятию

по-

ли,

от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.

1 Именно это понимание взаимодействия и пространства, раз-

вещавшееся

в рамках классической физики, было унаследовано

^развито

далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в

215

рамках теории относительности и квантовой механики. Про-

]

странство и время стали пониматься как атрибуты материи, оп-

ределяющиеся ее связями и взаимодействиями.

Современное понимание пространства и времени было сфор-

мулировано

в теории относительности А. Эйнштейна,

по-ношму

интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и

времени и давшей ей естественно-научное обоснование.

10.2. Теория относительности

Теория относительности стала результатом обобщения и

синте-

за классической механики Ньютона и электродинамики Максвел-

ла, между которыми с середины ХГХ в. возникли серьезные проти-

воречия. В то время в механике господствовал классический прин-

цип относительности Галилея, утверждавший равноправность всех

инерциальных

систем отсчета, а в электродинамике — концепция

эфира — ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое простран-

ство, являющейся абсолютной

системой

координат. Иными

сло-

вами, в электродинамике выделялась одна система координат,

имевшая

предпочтение

перед всеми другими.

Существование эфира долгое время не подвергалось сомне-

нию. Более того, после выдвинутого Максвеллом предложения,

что свет — это электромагнитная волна, распространяющаяся в

мировом эфире, казалось, позиции сторонников эфирной теории

еще больше укрепились. Не хватало лишь решающего экспери-

мента, который доказал бы, что наша планета движется сквозь

эфир. Считалось, что при этом порождается

«эфирный

ветер»,

сносящий свет, испускаемый источником на Земле, в

направле-

нии против движения нашей планеты. Поскольку скорость дви -

жения Земли вокруг Солнца составляет 30 км/с, то скорость

света должна была уменьшиться на эту же величину.

• Такой эксперимент был проведен в

1887

г. А.

Майкельсоно^!

и Э. Морли. Они попытались обнаружить теоретически

предска-

занное смещение. Точность эксперимента для того времени

бы

ла очень высока, но никакого

«эфирного

ветра» им

обнаружит^

не удалось. !

Таким образом, опыт

Майкельсона

— Морли показал

незави^-

симость

скорости света от движения Земли. Отрицательный

ре--

зультат

эксперимента было невозможно объяснить ни в

рамка^х

классической механики, ни в рамках электродинамики.

Получа-

лось, что вопреки существующей в электродинамике

концепции

эфира для электромагнитных явлений не было выделенной

си;,с-

216

темы координат. Классический принцип относительности Гали-

лея был верен и для них.

Ряд ученых попытались найти иное объяснение поставленно-

му опыту. Среди них был нидерландский физик X. Лоренц, пред-

ложивший гипотезу о сокращении всех тел в направлении дви-

жения. Он вывел математические уравнения, называемые сего-

дня преобразованиями Лоренца. А в 1905 г. в журнале

«Анналы

физики» появилась статья неизвестного тогда еще А. Эйнштейна

«К электродинамике движущихся тел». В ней и были сформулиро-

ваны основы специальной теории относительности, в которой он

сумел по-новому интерпретировать преобразования Лоренца, при-

дать им иной физический смысл. В частности, Эйнштейн смог

показать, что преобразования Лоренца описывают не реальные

изменения размеров тел, а изменения результатов измерения в

зависимости от движения системы отсчета.

гпо..

иа

п._

и!

Около десяти лет работал Эйнштейн над

иПеЦИоЛЬНал

•.

теория

проблемой

влияния скорости движения тел

относительности

на

электромагнитные явления. В результате

он пришел к выводу о невозможности суще-

ствования ньютоновского абсолютного пространства и времени,

так как это противоречит принципу относительности Галилея.

Таким образом, Эйнштейн смог увидеть, что за рассуждениями

Галилея скрывается принципиально иное представление о про-

странстве и времени. Сам Эйнштейн считал, что принцип отно-

сительности является квинтэссенцией классической механики и

поэтому должен

быть'

сохранен. От концепции абсолютного

пространства и времени, как не имеющих реального физическо-

го содержания, следовало отказаться.

Так был сформулирован первый постулат специальной теории

относительности — расширенный принцип относительности. Он

уравнивал между собой не только

инерциалъные

системы, движу-

щиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и

распространил действие принципа на законы электродинамики.

Второй постулат специальной теории относительности Эйн-

штейн позаимствовал из электродинамики — это принцип посто-

янства скорости света в вакууме, примерно равной 300 000 км/с.

Классический принцип относительности Галилея очень прост.

Он всего лишь заявляет,

что

между покоем и движением, если

оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной

разницы. Разница лишь в точке зрения. Поэтому путешественник

в закрытой каюте спокойно плывущего корабля не замечает ни-

каких признаков движения. Если на том же корабле подбросить

217

мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от ко-

рабля, не упадет ближе к корме. Для нашего

путешественника|

книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для

чело-Д

века на берегу эта книга плывет вместе с кораблем.

В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или

покоится книга. Такой спор был бы бессмысленной тратой вре-

мени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции

признать, что книга покоится относительно корабля и движется

относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии

принци-

па Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не

имее*^

никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в

утверждение, что движение или покой — всегда движение или

покой относительно чего-то, что служит нам системой

отсчета.

Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным

движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения

приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Эйнштейн развил классический принцип относительности и ]

пришел к выводу, что этот принцип является всеобшим,

дейст-

вуя не только в механике, но и в электродинамике. Таким обра-

]

зом, электромагнитные явления стали описываться как инерци-

альные системы, инвариантные относительно

постановки

в них

любых физических экспериментов. Иными словами, обобщен-

ный принцип относительности утверждал, что никакими физи-

ческими опытами (механическими, электромагнитными) внутри

данной системы отсчета нельзя установить, движется эта систе-

ма равномерно и прямолинейно или покоится.

Второй постулат специальной теории относительности гово- 1

рит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах I

отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии

с которым если и существует максимальная скорость, то она I

должна быть одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Дело в том, что скорость света — самая большая из всех скоро- |

стей

в природе, предельная скорость физических взаимодействий,

одна из немногих фундаментальных физических констант нашего

мира. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Первым в

этом усомнился Галилей и попытался ее измерить, но точность

тогдашних измерительных приборов не позволила этого сделать.

Задачу измерения скорости света ставил перед собой датчанин

О.

Рёмер,

который исследовал движение спутника Юпитера и оп-

ределил скорость равной 214 000 км/с. Эта величина была уточ-

нена уже в XIX в. и составила 299 792 458 м/с. Обычно ее обо-

значают как с и считают примерно равной 300 000 км/с.

Это огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемы-

ми скоростями в окружающем нас мире. Например, линейная

скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с, скорость

Земли в ее орбитальном вращении вокруг Солнца — 30 км/с,

скорость самого Солнца в его движении юкруг центра Галактики —

около

250 км/с. Скорость движения всей Галактики с большой

группой других галактик относительно других таких же групп —

еще в два раза больше. Вместе с Землей, Солнцем и Галактикой

мы летим в космическом пространстве, сами того не замечая, с

огромной

скоростью, измеряемой несколькими сотнями кило-

метров

в секунду. Это огромная скорость, но все же и она очень

мала по сравнению со скоростью света.

Движение света принципиально отличается от движения всех

других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости

".этих

тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смыс-

ле скорости относительны, их величина зависит от точки зрения

(как в приведенном выше примере). Скорость света не склады-

вается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та

же,

и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Скорость света — это верхний предел для скорости переме-

щения любых тел в природе, для скорости распространения лю-

бых волн, любых сигналов. Она максимальна — это абсолютный

рекорд скорости. Поэтому часто говорят, что скорость света —

предельная скорость передачи информации. Она же является

предельной скоростью любых физических взаимодействий, да и

вообще всех мыслимых взаимодействий в мире. Если бы это

было не так, нарушился бы фундаментальный закон причинно-

сти, утверждающий, что причина всегда предшествует следст-

вию. Тогда разрушилась бы логическая связь событий во Все-

ленной, в мире воцарился абсолютный хаос и случайность.

Разумеется, все сказанное нами о скорости света, противо-

речит тому, что мы видим в окружающем нас мире. Более того,

одновременное действие этих двух постулатов кажется невоз-

можным. Чтобы решить данный парадокс, Эйнштейн обращается

к анализу проблемы

одновременности,

которая и составляет суть

теории относительности.

Классическая физика решала эту проблему очень просто в

рамках

концепции абсолютного времени, в соответствии с кото-

рой любые события во всех точках Вселенной совершались в

рамках одной системы отсчета (абсолютного времени). Поэтому

одновременность событий считалась реально существующим

Фактом.

Эйнштейн первым попытался серьезно

проанализиро-

219

вать проблему одновременности, использовав для этого мыс-);

ленный эксперимент.

Чтобы доказать существование одновременности, нужно

иметъЛ

в двух точках пространства, где находятся интересующие

нас]

объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Син-

хронизировать

эти часы можно, воспользовавшись

световымиЗ

сигналами, которые будут направляться из одной точки в

другую,*

а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут

пока->]

зывать одинаковое время, значит, события в данных точках

про-4

текают

одновременно. Если бы свет распространялся

мгновен-|

но, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает

ко-л

нечной скоростью, наши сигналы в разных точках покажут

раз--]

ные результаты. Таким образом, события, одновременные для]

одного наблюдателя, окажутся неодновременными для

другого.^

Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

Из нового понимания одновременности вытекают важней- '

шие

выводы специальной теории относительности, которые из-

вестны под названием релятивистских эффектов. Именно они

стали новой интерпретацией преобразований Лоренца, потребо- I

вали кардинального изменения представлений о пространстве и

времени,

выработанных еще классической физикой. Относи-

тельными становятся не только скорости, траектории тел, как в |

классической механике, но и пространственно-временные харак-

теристики тел, традиционно считавшиеся неизменными, *- ли-

нейные размеры, масса и время протекания процессов. Оказы-

вается, эти свойства зависят от скорости движения тел. Правда,

эти изменения становятся заметными, если измерять их из дру-

гой системы, движущейся относительно первой системы с иной

скоростью. При этом скорость движения наблюдаемой системы

должна быть очень большой, сравнимой со скоростью света.

Таким образом, релятивистские эффекты — это изменения

пространственно-временных характеристик тел, заметные на

больших скоростях, сравнимых со скоростью света.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, т.е., двигаясь па-

раллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы,

нельзя заметить эти эффекты, так как все используемые при изме-

рениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно

таким же образом. Согласно принципу относительности, все про-

цессы в

кнерциальных

системах протекают одинаково, Но если

система является

неинерциальной,

то релятивистские эффекты

можно заметить и измерить. Поэтому в качестве примера обычно

220

берут воображаемый релятивистский корабль типа фотонной раке-

ты, летящий к далеким звездам. Неподвижный наблюдатель при

этом сможет зафиксировать три релятивистских эффекта:

Сокращение линейных размеров тела в направлении его дви-

жения. Чем ближе скорость космического корабля, пролетающего

мимо неподвижного наблюдателя, к скорости света, тем меньше

будут размеры этого корабля для наблюдателя. Если бы корабль

смог двигаться со скоростью света, его наблюдаемая длина ока-

залась бы равной нулю, чего не может быть.

2. Увеличение массы быстродвижущихся тел. Масса движуще-

гося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказыва-

ется больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела

скорости света, тем больше возрастает его масса. Если бы тело

смогло двигаться со скоростью света, его масса возросла бы до

бесконечнбсти,

что невозможно. Поэтому никакое тело с мас-

сой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, так

как это потребовало бы бесконечной энергии. В связи с этим

появилась самая известная формула теории относительности,

связывающая массу и энергию. Эйнштейну удалось доказать,

что масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: Е —

тс

3. Замедление времени в быстродвижущихся телах. Так, в быст-

ро летящем космическом корабле время течет медленнее, чем для

неподвижного наблюдателя. Эффект замедления времени на кос-

мическом корабле сказался бы не только на часах, но на всех

процессах, протекающих в этом корабле, в том числе и на биоло-

гических ритмах его экипажа. Чтобы проиллюстрировать эту си-

туацию был предложен так называемый парадокс близнецов. Если

бы из двух близнецов один остался на Земле, а другой улетел к

звездам, то космонавт с точки зрения земного наблюдателя ста-

рился бы медленнее, чем его брат-близнец. Поэтому после воз-

вращения домой космонавт обнаружил, что его брат значительно

старше его самого. Интересно, что чем дальше совершается полет

и чем ближе скорость корабля к скорости света, тем больше будет

разница в возрасте между близнецами. Она может измеряться да-

же сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля

сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, ми-

нуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем

выпала из процесса развития на Земле.

Казалось бы, можно рассматривать ракету как покоящуюся

систему отсчета, а Землю — как движущуюся, и тогда утвер-

ждать, что больше постареет космонавт. Но на самом деле раке-

221

ту нельзя рассматривать как инерциальную систему, так как

он*

во время разгона и торможения движется с ускорением.

Современный уровень развития науки и техники пока не

по-4

чволяет построить фотонные ракеты, с помощью которых мож-

но было бы проверить выводы специальной теории

относитель^

ности. Тем не менее, экспериментальные доказательства основ-

ных положений специальной теории относительности все же

существуют. Процессы замедления хода времени в зависимости

от скорости движения реально регистрируются сейчас в

измерен

ниях длины пробега пи-мезонов (пионов), возникающих при

столкновении космических лучей с атмосферой Земли. Обычна

время жизни этих частиц составляет 10~

с и после своего воз-

никновения они распадаются на небольшом расстоянии от

мес--

та рождения (по расчетам, они могут пройти около 300 см).

Но-.

если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то

временные процессы в нем с нашей точки зрения замедляются,

период распада увеличивается. Соответственно возрастает длина

пробега, которая может составить около 30 км, что в 10 000 раз

больше расчетного.

Таким образом, специальная теория относительности утвер-

ждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолиро-

ванно друг от друга. На основании этих выводов в 1907 г. немец-

кий математик /.

Минковский

высказал предположение, что три)

пространственных и одна временная размерность любых матери-

альных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселен-

ной происходят в едином четырехмерном пространстве-времени.

Следует подчеркнуть, что релятивистские эффекты будут

проявляться только при движении тел со скоростью, сравнимой

со скоростью света. На малых скоростях уравнения специальной

теории относительности будут давать практически те же резуль-

таты, что и формулы классической механики, как этого требует

принцип соответствия.

Создание специальной теории относительности стало качест-

венно новым шагом в развитии науки, одной из первых теорий,

созданных современной наукой. В отличие от классической нау-

ки (классической механики) специальная теория относительности

органично включает в себя наблюдателя, который только и может

заметить релятивистские эффекты. Описание физических про-

цессов в этой теории также не является универсальным, а зависит

от выбора системы координат. Да и описывается в ней не сам

физический процесс, а результат взаимодействия этого процесса

со средствами исследования. Отсюда становилось

все

яснее, что

222

ученый перестает быть зеркалом, пассивно отражающим окру-

жающий мир, как это считала классическая наука, а сам непо-

средственно формирует объект своего познания. Таким образом,

идея неразрывной связи субъекта и объекта познания является

одним из краеугольных камней современной науки.

В рамках этой теории, которая создавалась в

Общая теория

ТСЧСШ№ деогга лет

190

по 1916

гг,

А. Эйн-

относ

штейн

обратился к проблеме тяготения, дав-

но привлекавшей к себе внимание ученых. Поэтому общую тео-

рию относительности часто еще называют теорией тяготения. В

ней были описаны новые стороны зависимости пространственно-

нременных

отношений от материальных процессов. Эта теория

основывается уже не на двух, а на трех постулатах.

Первый постулат общей теории относительности — расширен-

ный принцип

относительности,

который утверждает инвариант-

ность законов природы в любых системах отсчета, как инерци-

алъных,

так и

неинерциальных,

движущихся с ускорением или

замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсо-

лютный характер не только скорости, но и ускорению, которое

имеет конкретный смысл по отношению к фактору, его опреде-

ляющему.

Второй постулат — принцип постоянства скорости света —

остается неизменным.

Третий

постулат

— принцип эквивалентности

инертной.

гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классиче-

ской механике. Так, в законе всемирного тяготения, сформули-

рованном Ньютоном, сила тяготения всегда пропорциональна

массе того тела, на которое она действует

(Г

Ст^/г

Но во

втором законе Ньютона сила, сообщающая телу ускорение, тоже

пропорциональна его массе (Г

та). В первом случае речь идет

о гравитационной массе, которая характеризует способность те-

ла притягиваться к другому телу, во втором случае — об инерт-

ной массе, которая характеризует поведение тела под действием

внешних сил, является мерой инертности тела. Но в случае сво-

бодного падения тела с ускорением 9,8 м/с

оно не зависит от

массы. Это установил в своих опытах еще Галилей. Более точно

эквивалентность этих масс была установлена в 1890 г. венгер-

ским физиком Л.

Этвё'шем.

Сегодня эти выводы подтверждены

с высокой степенью точности — до

10~

1Э

После создания специальной теории относительности Эйн-

штейн задумался о том, меняются ли гравитационные свойства

тел, если их инерционные свойства зависят от скорости движе-

223

ния.

Теоретический анализ, проведенный ученым, позволил

еде

лать

вывод, что физика не знает способа отличить эффект

грашя

тации

от эффекта ускорения. Иначе говоря, кинематические эф-

фекты, возникающие под действием гравитационных сил,

эквя

валентны эффектам, возникающим под действием ускорения

Так, если ракета взлетает с ускорением

2§,

то экипаж ракеты буч

дет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном

по-1

ле тяжести Земли. Аналогично, наблюдатель, находящийся в за-

крытом лифте, не сможет определить, движется ли лифт

уск<м

ренно или внутри лифта действуют силы тяготения. Именно на

основе принципа эквивалентности был обобщен принцип

отно!

сительности, о чем мы говорили выше.

Важнейшим выводом общей теории относительности стала

идея, что изменение геометрических (пространственных) и

вре-1

менньгх характеристик тел происходит не только при движении

с большими скоростями, как это было доказано специальной

теорией относительности, но и в гравитационных полях. Сде-

ланный вывод неразрывно связывал общую теорию относитель-

ности с геометрией, но общепризнанная геометрия Евклида для

этого не годилась.

Геометрия Евклида носит аксиоматический характер, исходит

из пяти аксиом и подразумевает одинаковость, однородность про-,

странства, которое считается плоским. Но постепенно многих

м*4

тематиков эта геометрия перестала удовлетворять, так как

пятый

постулат ее не был самоочевидным. Речь идет об утверждении, что.

через точку, лежащую вне прямой, можно провести только

одну

прямую, параллельную данной. С этой аксиомой связано

утвер-

ждение о сумме углов

треугольника,

всегда равной 180°.

Если заменить эту аксиому

другой,

то можно построить

но-

вую геометрию, отличную от геометрии Евклида, но столь

же

внутренне непротиворечивую. Именно это и сделали в XIX в.

независимо друг от друга русский математик Н.И. Лобачевский,

немец Б. Риман

и.

венгр Я. Больяй. Риман использовал аксиому

о невозможности проведения даже единственной прямой, па-

раллельной данной. Лобачевский и Больяй исходили из того,

что через точку вне прямой можно провести бесчисленное мно-

жество прямых, параллельных данной.

С первого взгляда эти утверждения звучат абсурдно. На плос-

кости они и в самом деле неверны. Но ведь могут существовать и

иные поверхности, на которых имеют место новые постулаты.

Представьте себе, например, поверхность сферы. На ней

кратчайшее расстояние между двумя точками

отсчитывается

не

224

по прямой (на поверхности сферы прямых нет), а по дуге боль-

шого круга (так называют окружности, радиусы которых равны

радиусу сферы). На земном шаре подобными кратчайшими, или,

как

их называют, геодезическими линиями служат меридианы.

Все меридианы, как известно, пересекаются в полюсах, и каж-

дьШ

из них можно считать прямой, параллельной любому мери-

диану. На сфере выполняется своя, сферическая геометрия, в

которой верно утверждение, что сумма углов треугольника все-

гда больше 180°. Представьте себе на сфере треугольник, обра-

зованный двумя меридианами и дугой экватора. Углы между

меридианами и экватором равны 90°, и к их сумме прибавляется

угол между меридианами с вершиной в полюсе. На сфере, таким

образом, нет непересекающихся прямых.

Существуют также поверхности, для которых оказывается

верным постулат Лобачевского и Больяя. Это седловидная по-

верхность, также называемая псевдосферой. На ней сумма углов

треугольника всегда меньше 180° и невозможно провести ни од-

ной прямой, параллельной данной.

После того, как Эйнштейн узнал о существовании этих гео-

метрий, возникли законные сомнения в евклидовом характере

реального

пространства-времени. Стало ясно, что оно искрив-

лено. Как можно представить себе искривление пространства, о

котором говорит общая теория относительности? Представим

себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это

моде'ль

пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие

шарики — модели звезд и планет. Шарики будут прогибать лист

резины тем больше, чем больше их масса, что наглядно демон-

стрирует зависимость кривизны пространства-времени от массы

тела и подтверждает правоту Римана.

Так. Земля создает вокруг себя искривленное пространство-

время, которое называется полем тяготения. Именно оно за-

ставляет все тела падать на Землю. Но чем дальше мы будем на-

ходиться от планеты, тем слабее будет действие этого поля. На

очень

большом расстоянии поле тяготения будет настолько сла-

бым, что тела перестанут падать на Землю, и потому искривле-

ние пространства-времени будет настолько незначительным, что

им можно пренебречь и считать пространство-время плоским.

Под кривизной пространства не нужно понимать искривление

плоскости наподобие евклидовой сферы, в которой внешняя по-

верхность отлична от внутренней. Изнутри ее поверхность выгля-

дит вогнутой, извне — выпуклой. С точки зрения неевклидовых