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). Он родился и провел свое детство в Германии. Юность, годы учебы и становление его как ученого связаны со Швейцарией. Там же к нему пришла и мировая известность как физика-теоретика. Вернувшись в 1914 году в Германию, он проработал там до 1933 года, когда вынужден был, спасаясь от фашизма, эмигрировать в Америку. Основоположник теории относительности, автор трудов по квантовой теории света (теория фотоэффекта, законы фотохимии), он предсказал возможности получения индуцированного излучения (на котором основана работа лазеров), развил теорию броуновского движения, создал квантовую статистику. После 1933 года Эйнштейн работал над проблемами космологии и единой теории поля, принимал участие в создании ядерного оружия. Но после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, увидев и осознав чудовищные последствия этого изобретения, он становится инициатором создания и активным участником Пагуошского движения ученых за мир, разоружение и международную безопасность. В 1921 году международная научная общественность оценила вклад Эйнштейна в развитие теоретической физики и присудила ему Нобелевскую премию за создание теории фотоэффекта. Но это лишь малая толика оценки его труда. Каждое его открытие имеет поистине эпохальное значение для человечества. В честь Эйнштейна назван один из искусственных химических элементов и единица измерения в фотохимии

В 1905 году он опубликовал статью «К электродинамике движущихся сред», идея которой заключалась в том, что при описании явлений природы нужно отказаться от господствовавшей в то время теории мирового эфира и ньютоновских понятий абсолютного пространства и абсолютного времени. А. Эйнштейн 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 и математикой всю вторую половину XIX века. Наш соотечественник Н.И. Лобачевский (1792-1856) и немецкий математик Б. Риман (1826-1866) разработали неевклидову геометрию (геометрию криволинейных пространств), немецкий математик и физик Г. Минковский (1864-1909) разработал теорию n-мерных пространств. Большой вклад в разработку математического аппарата релятивистской механики сделал А. Пуанкаре (1854-1912) - крупнейший французский математик, физик и философ. Их работы внесли коренные изменения в представления о природе пространства и помогли в дальнейшем дать геометрическую интерпретацию кинематики СТО.

Значительный вклад в обоснование идей СТО 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 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 V их масса возрастает, а линейные размеры в направлении движения сокращаются, время протекания процессов в движущихся системах замедляется (рис. 11). 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 (или наоборот).

Y

l (СТО) m, t (СТО)

m, l, t (классическая механика)

V

Рис. 11. Зависимость m, l, t от скорости движения тела

в классической и релятивистской механике

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. Определяющее значение в устойчивости таких систем как космические имеют силы гравитационного взаимодействия.

В ОТО принцип относительности 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. Но распад сопровождается излучением (a, b или g), которое обладает энергией. И 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 для скоростей движения, соизмеримых со скоростью света.