Татьяна Тихоплав - Физика веры Страница 13

Обосновав отказ от эфира и то, что все явления в природе нельзя объяснить с механистической точки зрения, Эйнштейн приходит к мысли о несовершенстве основ классической физики. Он задумывает теорию, которая исправила бы основы классической физики, помогла выйти из создавшегося кризиса и послужила бы основой для дальнейшего развития теоретической физики.

Созревший в физике кризис указывал на необходимость смены парадигмы в естествознании.

Содержательная база парадигм в естествознании всегда строилась на выборе соответствующего принципа относительности, соответствующей геометрии пространства и постулировании существования некой универсальной среды, переносящей взаимодействия. Во времена Ньютона господствовали геометрия Евклида, принцип относительности Галилея, а на роль субстанции, переносящей взаимодействия, претендовал эфир. И вот эфир был отвергнут. Одна из трех опор, поддерживающих старую парадигму, рухнула. Но оказывается, к концу XIX века и две другие были сильно подточены.

Давайте вспомним, каким представлялся мир ученым во времена Ньютона. Абсолютное, везде одинаковое, ни с чем не связанное, ни от чего не зависящее время. Абсолютное, всюду однородное пространство, с абсолютной, везде одинаковой и тоже ни от чего не зависящей геометрией. В таком абсолютном пространстве и таком абсолютном времени существует, подчиняясь физическим законам, вся материя. Например, закон всемирного тяготения определяет зависимость силы взаимного притяжения тел от величины их масс и расстояния между ними. И, конечно, все ученые были убеждены, что ни массы, ни силы, ни связывающие их законы не зависят от времени и пространства, так же как время и пространство ни от чего не зависят.

И вот в 1826 году дерзкий смутьян из России Н. И. Лобачевский заявил: “Это не так. С силами, с массами тесно связано само время, от них зависит и строение пространства, то есть его геометрия” (105, с. 51).

Но что означает зависимость геометрии от сил или от масс? Она означает, что пространство не является абсолютным и однородным, что геометрия его определяется величиной и распределением масс. Нет абсолютного, ни от чего не зависящего пространства, одинакового для всех. Нет и абсолютного времени, которое для всех текло бы совершенно одинаково. То есть наше реальное пространство оказывается неевклидовым. Искривление пространства прямо следует из основного уравнения Н. И. Лобачевского. Таким образом, путы, сковавшие геометрию со времен Евклида, первым разорвал Н. И. Лобачевский. Он построил более широкую геометрическую систему — пангеометрию, которая не отвергала, не сменяла геометрию Евклида, а просто отвела ей скромное место частного случая. Позже Б. Риман расширил содержание геометрии так, что и творение Лобачевского стало частным случаем. Геометрия Евклида представляла геометрию пространства с нулевой кривизной, геометрия Лобачевского — с отрицательной кривизной, а геометрия Римана — с положительной кривизной.

Таким образом, необходимость разработки новой парадигмы в начале XX века была очевидна: эфир отвергнут. пространство — неевклидово (имеет кривизну) и не абсолютно.

И вот в такой ситуации Эйнштейн взялся за разработку новой теории относительности, которая для современной физики явилась тем же, чем была для классической физики механика Ньютона.

Все просто, когда уже найдено. И как неимоверно сложно, пока неизвестно, на каких подступах искать.

2.1.5. Немного о теории относительности

Ньютон, прости меня. В свое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы.

Уже в первой работе по теории относительности “К электродинамике движущихся тела" Эйнштейн отмечает, что эта теория базируется на двух основных принципах, принимаемых в качестве исходных постулатов.

Первый постулат является обобщением принципа относительности Галилея на любые физические процессы. Второй постулат выражает принцип постоянства скорости света.

Следуя своей философской концепции о том, что теория должна вытекать из опыта, Эйнштейн ставит свет в особое положение — канонизирует его, считая, что свет относительно любых движущихся тел всегда имеет одну и ту же скорость. Мысль о таком особом положении света настолько овладевает Эйнштейном, что он возводит ее в закон постоянства скорости света, сформулированный им в работе “О принципе относительности” следующим образом; *..-Закон постоянства скорости света в пустоте должен выполняться для движущихся относительно друг друга наблюдателей таким образом, что один и тот же луч света имеет одну и ту же скорость относительно всех этих наблюдателей” (20, с. 37).

Этот закон становится важной основой для разработки специальной теории относительности (СТО).

Следует отметить, что сегодня в мире ученых отношение к СТО двоякое. Большая часть ученых считает специальную теорию относительности современной физической теорией пространства—времени (70. с. 55). Другая часть ученых относится к СТО крайне отрицательно, считая ошибочными закон постоянства скорости света и преобразования Лоренца, использованные в качестве математической основы этой теории (20, 22, 79).

Но два постулата, лежащие в основе СТО, несовместимы, поскольку, согласно принципу относительности Галилея, один и тот же луч света не может иметь одну и ту же скорость относительно наблюдателей, движущихся относительно друг друга.

Эйнштейн упорно ищет выход из создавшегося положения и находит его в пересмотре важнейших положений классической физики — абсолютности пространства и времени.

Опираясь на геометрию Римана и Лобачевского, Эйнштейн вводит понятия относительности пространства и времени, под которой понимается изменение размеров тела (пространства) и хода времени в разных системах отсчета. То есть, если пространство и время относительны, то размер единицы длины (например, метра) и длительность единицы времени (например, секунды) в подвижной и неподвижной системах отсчета имеют разные величины.

В работе “Что такое теория относительности?” Эйнштейн отмечает, что принципы относительности и постоянства скорости света являются непримиримыми, но “специальная теория относительности сумела их примирить ценой видоизменения кинематики, иначе говоря, ценой изменения физических представлений о пространстве и времени” (70, с. 60).

Ну как тут не вспомнить шутливое стихотворение неизвестного, к сожалению, автора.

Был мир земной кромешной тьмой окутан.Да будет свет! И вот явился Ньютон!Но сатана недолго ждал реванша:Пришел Эйнштейн и стало все, как раньше.

Итак, в специальной теории относительности Эйнштейн обосновал новую кинематику, базирующуюся на относительности пространства и времени, благодаря чему ему удалось выдвинутый им закон постоянства скорости света подчинить принципу относительности.

Кроме того, в специальной теории относительности Эйнштейну удалось установить органическую связь между пространством и временем и объединить их в единый пространственно-временной континуум — “пространство-время”. Оказалось, что для описания физических процессов необходимо использовать четырехмерное пространство-время, положение точки в котором определяется тремя пространственными координатами X, Y, Z и временной координатой ct, где с = 300 000 км/с — скорость света в пустоте (70, с. 74). Геометрические свойства такого пространства-времени описываются геометрией Евклида.

Это положение специальной теории относительности не вызывает противоречивых суждений со стороны ученых.

Разработав специальную теорию относительности, Эйнштейн задумывается о том, как на новую научную базу поставить вопросы гравитации, то есть как разработать теорию гравитации (тяготения). Такая теория была им разработана в общей теории относительности (ОТО), называемой также теорией тяготения.

Закон всемирного тяготения Эйнштейна сформулирован так: движение масс вызывается искривлением пространства, искривление пространства вызывается населяющей его материей (105, с, 273).

Эйнштейн заменил бесконечную “плоскую ньютонову” Вселенную безграничной, но конечной Вселенной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как искривляется любая замкнутая поверхность.

Согласно теории тяготения, геометрические свойства пространства-времени зависят от распределения в пространстве тяготеющих масс и их движения. Подобно тому, как вокруг движущихся электрических зарядов создается электромагнитное поле, так в пространстве, окружающем всякое тело, создается поле тяготения.