Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Частицы обладают относительной прерывностью и локали-

зованностью в пространстве, поля же непрерывно распределены

в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными

средами, т.е. не являются сплошными материальными средами.

При излучении и поглощении они проявляются относительно

дискретно -–в виде квантов, фотонов, мезонов и т.д. Кванты по-

лей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные

образования. Частицы вещества также нельзя представлять в

виде каких-то микроскопических шариков с абсолютно четко

очерченными гранями. Частицы неотделимы от полей и не су-

ществует абсолютно резкой границы, где кончается частица и

начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует

непрерывный взаимопереход полей и частиц. Микрочастицы

вещества обладают двойственной природой: природой частицы

и волны одновременно. Их волновые свойства описываются

уравнением волны де Бройля

, где h- постоянная План-

ка, m –масса частицы, v – скорость ее движения.

И поле, и вещество обладают определенными физическими

параметрами. Так, волна описывается длиной, фазой, амплиту-

дой и их изменениями во времени и пространстве. Частица ха-

рактеризуется иным набором параметров: спин, заряд, масса

покоя, время жизни и ряд квантовых чисел.

Важнейшей характеристикой микрочастицы является спин,

собственный момент количества движения. В классической ме-

ханике такая величина характеризует вращение тела. Но для

микрочастиц такое определение теряет смысл, так как элемен-

тарные частицы невозможно представить вращающимися кро-

хотными волчками.. Для микрочастиц спин характеризует внут-

реннюю степень свободы, обеспечивающую ей дополнительное

физическое состояние. В отличие от классического момента

количества движения, который может принимать любые значе-

ния, спин квантуется, т.е. принимает определенные дискретные

значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент

пропорциональности называется спиновым квантовым числом. У

одних частиц он имеет целочисленное значение (0,1,2….), а у

дру гих – полу целые значения (1/2, 3/2…).

ПРОСТРАНСТВО и ВРЕМЯ – основные формы существо-

вания материи и в этом проявляется их универсальность и все-

общность. Традиционно считается, что пространство трёхмерно.

Время имеет одно измерение. Прост-ранство выражает порядок

расположения одновременно существующих объектов. Время

показывает последовательность существования сменяющих друг

дру га явлений – от прошлого к будущему. Развитие естествозна-

ния показало, что пространство и время не могут существовать

независимо от материальных процессов и отдельно друг от дру-

га. Пространство и время не просто связаны с движущейся ма-

терией. Движение материи – это сущность пространства и вре-

мени. Естествознание XVII–XIX вв., трактуя объективность про-

странства и времени, рассматривало их, вслед за Ньютоном, в

отрыве дру г от друга, как нечто самостоятельное, существующее

совершенно независимо от материи и движения. В соответствии

с атомистическими взглядами древних натурфилософов (Демок-

рит, Эпикур) естествоиспытатели почти вплоть до XX в. отожде-

ствляли пространство с пустотой, считая его абсолютным, все-

гда и повсюду одинаковым и неподвижным, а время – протекаю-

щим равномерно. Современная физика отбросила старые пред-

ставления о времени как едином для всей бесконечной Вселен-

ной и о пространстве как пустом вместилище тел.

Переворот в представлениях

о пространстве и времени

Макс фон Лауэ, автор первой монографии по теории относи-

тельности, вышедшей в 1911 г., указывал позднее в своей «Ис-

тории физики» на то, что с античных времен наибольшее волне-

ние у людей вызывали те физические теории, которые посягали

на традиционные представления о пространстве и времени.

Именно поэтому работы А. Эйнштейна по этим проблемам при-

влекли к себе столь необычно большое внимание. Были опубли-

кованы тысячи книг и брошюр, авторы которых выступали как в

защиту теории относительности, так и против нее.

Исследования Эйнштейна по теории относительности от-

крывались статьей «К электродинамике движущихся тел» объе-

мом в 30 печатных страниц, опубликованной в 1905 г. в журнале

«Аннален дер физик». Именно эту статью и следует считать

фактическим «свидетельством о рождении» теории относитель-

ности. В том же 1905 г. в упомянутом журнале появилось суще-

ственное дополнение к первой статье. Статья носила название

«Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?»

Обе эти статьи вошли в опубликованный в 1913 г. томик «Прин-

цип относительности», представлявший собой сборник осново-

полагающих доку ментов по истории теории относительности.

Каково было положение в физике с вопросами пространства

и времени, которые рассматривал Эйнштейн в своих исследова-

ниях по теории относительности?

В XIX столетии первоначально господствовала механиче-

ская теория света. Согласно этой теории, свет представляет

собой волновое движение некоторой упругой среды, которую

называли световым эфиром или просто эфиром. Предполага-

лось, что эфир проникает через все тела, не принимая, однако,

участия в их движении. Поскольку с течением времени стало все

труднее согласовывать новые результаты исследований в об-

ласти оптики с механической гипотезой эфира, физики решили

трактовать свет как некое особое «состояние» эфира. Такое со-

стояние предполагалось рассматривать как электромагнитное

силовое поле, которое было введено в науку Фарадеем и описа-

но Максвеллом с помощью удивительной системы абстрактных

математических уравнений.

Учение о световом эфире было тесно связано с взятым из

«Механики» И . Ньютона представлением об «абсолютном про-

странстве». Ньютон писал: «Абсолютное пространство остается

в силу своей природы безотносительно к какому-либо внешнему

предмету всегда одинаковым и неподвижным».

В соответствии с представлением о неподвижном световом

эфире, его считали как бы воплощением «абсолютного про-

странства» и рассматривали как абсолютную систему отсчета. В

такой системе можно было бы однозначно описывать все проис-

ходящие в мире движения, указывая абсолютное положение тел.

Кроме того, Ньютон придерживался мнения, что существует

и «абсолютное время». Он писал: «Абсолютное, истинное и ма-

тематическое время течет само по себе и в силу своей природы

равномерно и безотносительно к какому-либо внешнему предме-

ту».

Согласно этому воззрению, существует равномерное тече-

ние времени. Следовательно, можно представить себе, что во

Вселенной имеется нечто вроде «нормальных часов», позво-

ляющих отсчитывать ход этого «абсолютного времени» из любо-

го места. Наконец, в соответствии с представлениями об «абсо-

лютном пространстве» и «абсолютном времени» Ньютон гово-

рил и об «абсолютном движении»; он определял его как «пере-

мещение тела из одного абсолютного места в другое абсолют-

ное место».

Несмотря на возражения, высказывавшиеся в свое время

Лейбницем, ньютоновское представление об абсолютном вре-

мени, пространстве и движении считалось неоспоримым на про-

тяжении двухсот лет. Ни один физик не мог серьезно помыслить

и тем более отважиться поставить под сомнение принципы Нью-

тона.

Первым, кто выступил с критикой этих принципов, был Эрнст

Мах. В своей «Механике» он подверг нападкам взгляды Ньютона

на абсолютные время, пространство и движение и попытался их

опровергнуть. Критикуя ньютоновские догмы, Мах руководство-

вался положением, что «чувственно необнаруживаемое» лишено

для естествознания какого-либо значения и не имеет права на

существование. Требование, заключающееся в том, что в есте-

ственно-научное рассмотрение следует вовлекать только на-

блюдаемые величины и не применять законы физики за преде-

лами той области, в которой они имеют смысл, играло для моло-

дого Эйнштейна важную эвристическую роль в период его рабо-

ты над теорией относительности.

В экспериментальной физике ньютоновские догмы о про-

странстве, времени и движении также оказались поставленными

под сомнение. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца

со скоростью около 3О км/с. Наша Солнечная система летит в

мировом пространстве со скоростью около 2О км/с. Наконец,

наша Галактика также со значительной скоростью движется от-

носительно других, удаленных от нее галактик. Следовательно,

если световой эфир покоится в «абсолютном пространстве», а

небесные тела проходят через него, то их движение по отноше-

нию к эфиру должно вызы вать заметный «эфирный ветер», ко-

торый можно было бы обнаружить с помощью тонких оптических

приборов.

Для выяснения этого вопроса американский физик польско-

го происхождения Альберт Майкельсон, работавший в 1881 г. у

Гельмгольца в Берлине и Потсдаме, поставил свой первый экс-

перимент. Согласно гипотезе о неподвижности эфира, можно

наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир.

Следовательно, скорость света по отношению к Земле должна

зависеть направления луча света относительно направления ее

движения в эфире. Майкельсон проводил свои опыты с помощью

сконструированного им интерферометра с разными плечами:

одним по движению Земли, другим – перпендикулярно к нему.

Если эфир неподвижен, то при повороте прибора на 90

разности

хода лучей должны менять знак и интерференционная картина

смещаться. Но смещение интерференционной картины не было

обнаружено. Отрицательный результат эксперимента еще нель-

зя было считать вполне убедительным, поскольку эксперимен-

тальная установка в то время обладала некоторыми дефектами.

Через несколько лет (в 1885-87 г.), находясь в США, Майкельсон

совместно с У. Морли повторил этот эксперимент с помощью

разработанного им и изготовленного с большой точностью зер-

кального интерферометра. Новая измерительная установка бы-

ла настолько прецизионной, что могла бы отчетливо зарегистри-

ровать даже самый незначительный эффект, обусловленный

«эфирным ветром». Однако и на этот раз, как и при всех после-

ду ющих попытках повторения опыта, ничего похожего на подоб-

ный эффект обнаружено не было. Скорость света оказалась

совершенно постоянной и не зависящей от движения источника

света и наблюдателя. «Опыт Майкельсона», один из самых зна-

менитых экспериментов в истории физики, имел фундаменталь-

ное значение для теории относительности, что подтверждал сам

Эйнштейн, восхищавшийся экспериментальным искусством

Майкельсона. В 1964 году американские физики повторили опыт

Майкельсона с использованием в качестве источника света двух

одинаковых гелий-неоновых лазеров, обладающих очень высо-

кой степенью монохроматичности и простанственной когерент-

ности, и снова получили отрицательный результат.

Отрицательный результат эксперимента Майкельсона опро-

вергал существование эфира. Первоначально делались попытки

согласовать укоренившуюся в сознании физиков гипотезу эфира

с фактом постоянства скорости света и таким образом «спасти»

эфир. Так, например, голландский физик Г.А. Лоренц в 1895 г.,

т.е. за десять лет до Эйнштейна, пытался согласовать результат

опыта Майкельсона с механистической картиной мира с ее све-

товым эфиром и «абсолютным пространством». Для этого он

ввел предположение, что быстро движущиеся тела испытывают

сокращение в направлении своего движения («сокращение Ло-

ренца»). Это было хотя и очень остроумное, но все же достаточ-

но искусственное допущение, которое явно имело характер спе-

циально придуманной для данного случая гипотезы, и поэтому

не могло надолго уд овлетворить физиков-теоретиков.

Результаты опыта Майкельсона создали для теоретиков ло-

гические трудности, которые казались непреодолимыми. Это

был своего рода неразрешимый гордиев узел. Молодой Эйн-

штейн разрубил его.

Еще школьником Эйнштейн обратил внимание на ту роль,

которую играет скорость света. Он много размышлял о том, ка-

ку ю картину видел бы наблюдатель, если бы он мог следовать за

световой волной со скоростью света. Этот первый мысленный

эксперимент в сочетании с электродинамикой Максвелла, отри-

цательным результатом опыта Майкельсона и маховской крити-

кой основ механики Ньютона лег в основу теории относительно-

сти.

В своей автобиографии Эйнштейн следующими словами

охарактеризовал отправную точку этих исследований: «Необхо-

димо было составить себе ясное представление о том, что озна-

чают в физике пространственные координаты и время некоторо-

го события».

Анализ роли времени непосредственно привел к исследова-

ниям по теории относительности. Эйнштейн начал с изучения

понятия одновременности. Полученные им результаты могут

быть резюмированы следующим образом. Если бы передавае-

мые сигналы могли распространяться с бесконечно большой

скоростью, то с научной точки зрения имело бы полный смысл

говорить об абсолютной одновременности событий, происходя-

щих в двух удаленных друг от друга точках. Но так как скорость

света, представляющая собой максимальную скорость передачи

сигналов, все же конечна и при том имеет одну и ту же величину

для всех наблюдателей, понятие «абсолютной одновременно-

сти» лишено физического смысла и поэтому не может приме-

няться в теории.

Поскольку все суждения, в которых какую-то роль играет

время, всегда представляют суждения об одновременных собы-

тиях, введение представления об относительном характере по-

нятия одновременности с логической необходимостью влечет за

собой и релятивизацию понятия времени. Если невозможна аб-

солютная одновременность, то не может существовать и абсо-

лютное время, одинаковое во всех системах координат. Каждая

система отсчета имеет свое собственное время, свое «локаль-

ное время». Ключевым моментом всей проблемы, как отметил

впоследствии Эйнштейн, было постоянс тво скорости света в

пустом пространст ве. Признав это постоянство, которое было

доказано опытом Майкельсона, уже нельзя было избежать реля-

тивизации времени.

Учение Эйнштейна о времени было совершенно новым сло-

вом в науке. Ни один физик или философ до него не размышлял

так глубоко о понятии одновременности и не пришел к столь

далеко идущим выводам. Руководствуясь требованиям Маха о

том, что понятия и величины, не имеющие физического смысла,

не должны фигурировать в теории, поскольку они принципиально

не могут быть проверены на опыте, Эйнштейн пришел к выводу о

необходимости отказа от ньютоновского понятия «абсолютного

времени».

Так как время и движение тесно связаны друг с дру г ом –

время, как говорил Маркс, есть «количественное бытие движе-

ния», – в результате признания относительности понятия време-

ни устраняется также и понятие «абсолютное движение». Дви-

жение тела или системы отсчета можно сравнивать лишь с дви-

жением другого тела или другой системы отсчета и только по

отношению к ним можно численно его определять. «Абсолютного

движения» не существует. «Специальный принцип относитель-

ности» Эйнштейна утверждает, что во всех системах отсчета,

движущихся по отношению друг к другу прямолинейно и равно-

мерно, действуют одни и те же законы природы. При переходе от

одной системы отсчета к другой, пространственные и временные

координаты преобразуются в соответствии с особыми уравне-

ниями, которые называются преобразованиями Лоренца. Лоренц

вывел свои преобразования в 1904 году. Пусть t и t

–интервалы

времени в системах, которые движу тся со скоростью V, x – про-

странственная координата, с – скорость света. Тогда

−

; x

Vtx

−

Cобытия, одновременные для одного наблюдателя (t=0) бу-

дут неодновременными для другого (t

≠

). Отсюда, понятие

одновременности относительно.

Созданная в 1905 г. теория относительности привела к тому,

что гипотеза эфира как носителя световых волн была устранена

из физической картины мира. Как позднее писал Эйнштейн, све-

товой эфир и без того влачил «призрачное существование» в

физической науке. Эйнштейн заменил эфир электромагнитным

полем, которое он рассматривал как самостоятельную физиче-

скую реальность. Это также было смелым нововведением.

Правда, уже до него французский физик Пуанкаре предлагал

отказаться от гипотезы эфира, но он не положил это требование

в основу новой картины природы. «Безэфирная физика» была

создана Эйнштейном.

Однако произведенный теорией Эйнштейна переворот в оп-

тике не сразу получил признание. Многие известные физики еще

долго не могли примириться с отказом от гипотезы светового

эфира. Даже Лоренц, который внес столь значительный вклад в

подготовку специальной теории относительности, до самой сво-

ей смерти, последовавшей в 1928 г., не мог полностью смирить-

ся с мыслью о том, что эфира как носителя световых явлений не

существует.

Сегодня гипотеза светового эфира стала в такой же степени

достоянием истории физики, как, например, учение о флогисто-

не, или особой «огненной субстанции», уходящей из тел при их

сгорании. Подобно другим рабочим гипотезам, которые на про-

тяжении определенного времени выполняли свою задачу и слу-

жили делу научного исследования, она сыграла свою роль и во-

шла в историю науки.

Устранение гипотезы светового эфира было гениальным ак-

том отрицания. Позитивным же моментом в теории Эйнштейна

была прежде всего формулировка принципа, согласно которому

скорость света в пустоте (обозначаемая буквой с) вводилась в

качестве универсальной постоянной во все основные физиче-

ские законы.

Эйнштейн первый заметил, что скорость света играет в ме-

ханике такую же важную роль, как и в оптике. Скорость света

выступает здесь как недостижимый верхний предел скоростей

для всех процессов, сопровождающихся передачей силы или

переносом энергии. Скорость этих процессов никогда не может

достичь скорости света и тем более превзойти ее, даже в том

случае, когда к начальной скорости добавляется сколь угодно

большое число скоростей.

Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых

«парадокса» теории относительности, которые привлекли к себе

очень большое внимание и в течение многих лет являлись

предметом горячих споров. Физики и философы, которые были

не в состоянии избавиться от традиционных механистически-

метафизических представлений, либо яростно возражали против

этих «бессмысленных» следствий теории относительности, либо

высмеивали их. Но даже тем, кто был готов следовать за Эйн-

штейном в его необычных рассуждениях, подчас было нелегко

соглашаться с ним.

Один из парадоксов заключается в том, что размеры быстро

движущихся тел сокращаются в направлении их движения по

сравнению с их длиной в состоянии покоя. Именно эта пробле-

ма, возникшая в связи с результатом опыта Майкельсона, побу-

дила Лоренца выдвинуть его электродинамическу ю гипотезу со-

кращения. Эйнштейн показал, что сокращение можно объяснить,

рассматривая относительную скорость движения обеих систем

отсчета.

Другой парадокс касается замедления хода часов в быстро

движущейся системе по сравнению с часами, находящимися в

системе, покоящейся по отношению к первой. Предсказываемый

релятивистской теорией эффект замедления времени состоит в

том, что с точки зрения движущегося относительно рассматри-

ваемой системы наблюдателя все интервалы времени (t’), ха-

рактеризующие процессы в этой системе (колебания маятников

часов, распад нестабильных частиц, старение биологических

организмов и т.д.) увеличиваются по сравнению с интервалами,

наблюдаемыми в самой этой системе (

(1)

(/)

−

Для находящихся же в самой расcматриваемой системе наблю-

дателей происходящие в ней процессы протекают совершенно

нормально, а время у движущегося наблюдателя “течет замед-

ленно”.

Эффект сокращения расстояний состоит в уменьшении длин

отрезков с точки зрения наблюдателей, перемещающихся вдоль

этих отрезков (отрезки, ориентированные перпендикулярно ско-

рости относительного движения сохраняют свою длину неизмен-

ной):

(2)

ll vc

|| ||

'(/)

=−











⊥⊥

Описанные эффекты проявляются лишь при скоростях, срав-

нимых со скоростью света и в настоящее время эксперимен-

тально зарегистрированы в пучках у л ьтрарелятивискских частиц,

создаваемых на современных ускорителях. Например, коротко-

живущие частицы (время жизни

), двигаясь с околосветовыми

скоростями, вопреки классическим представлениям, достигают

приемника, удаленного на расстояние, значительно превышаю-

щее

lc=⋅

. С точки зрения неподвижного наблюдателя это

явление можно объяснить эффектом замедления времени (1),

“удлиняющим” жизнь частицы, с точки зрения наблюдателя,

движущегося вместе с частицей - эффектом сокращения рас-

стояния до мишени, “летящей ему навстречу” (2). Здесь речь

идет о «дилатации» времени, которую называют также растяже-

нием или искажением времени.

Из нее, например, должно следовать, что космонавт в кос-

мическом корабле, который в течение длительного времени с

очень большой скоростью летит через Вселенную, при своем

возвращении на Землю окажется моложе своего брата-

близнеца, остававшегося все это время дома. Это объясняется

тем, что часы космонавта, а вместе с ними и все физиологиче-

ские процессы идут медленнее, чем часы (и соответственно

аналогичные процессы) на Земле. Разумеется, для того чтобы

можно было заметить «парадокс часов» (или «парадокс близне-

цов»), скорость движения космического корабля должна быть

достаточно близка к скорости света – условие, которое в совре-

менной космонавтике не выполняется даже отдаленно.

При больших скоростях меняется также закон сложения

скоростей