Татьяна Тихоплав - Физика веры Страница 14

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.

Вся безграничная Вселенная наполнена телами, будь то гигантские звезды или мельчайшие частицы космической пыли. Массы этих тел (величина масс, их взаимное расположение, их относительное движение) создают поля тяготения, гравитационные поля, которые существуют и меняются в пространстве и времени, И свойства этих полей накладывают неизгладимый отпечаток на то пространство и то время, в котором они существуют. Тяготеющие массы искривляют четырехмерный мир пространства-времени, в котором движутся тела. В свою очередь, это искривленное пространство-время-поле тяготения определяет движение масс, их траекторию и их скорость.

Получается тесная взаимная связь: массы рождают поле, поле управляет движением, поведением масс.

Геометрия такого искривленного четырехмерного мира уже не будет евклидовой,

Таким образом, тела, создающие гравитационные поля, “искривляют" реальное трехмерное пространство и по-разному изменяют ход времени в различных его точках. Поэтому движение тела в поле тяготения оказалось возможным рассматривать как движение по инерции, но в искривленном пространстве-времени-

Подводя итоги, можно сказать, что Эйнштейн впервые показал глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства-времени с физическими проблемами гравитации. Ему удалось представить гравитационные поля через кривизну четырехмерного пространства-времени.

Своей выдающейся работой по теории относительности Эйнштейн разорвал путы, сковавшие механику. Теория относительности не отвергла механику Ньютона- Она отвела ей более скромное место науки, справедливой для движений, медленных по сравнению со скоростью распространения света.

На основании своей теории Эйнштейн предсказал два неизвестных ранее эффекта — искривление траектории светового луча в поле тяготения и уменьшение частоты света, проходящего вблизи больших масс, — и объяснил странности в смещении перигелия Меркурия. Эти эффекты теория тяготения Ньютона не объясняла. Когда эффекты, указанные Эйнштейном, были подтверждены экспериментально, общая теория относительности получила всеобщее признание.

“Создание ОТО представлялось мне тогда и представляется сейчас величайшим достижением человеческого мышления в познании природы, поразительным сочетанием философской глубины, физической интуиции и математического искусства”, — писал один на основателей квантовой механики Макс Борн (105, с. 286).

В теории относительности материальной средой, взаимодействующей с тяготеющими телами, является само Мировое пространство. Оно взяло на себя некоторые (но далеко не все) функции прежнего эфира. После того, как максвеллово понятие поля было распространено Эйнштейном и на гравитацию, физические поля приняли на себя обязанность передачи действия. Потребность в прежнем эфире исчезла, С появлением теории относительности поле стало первичной физической реальностью, а не следствием какой-то другой реальности.

Само свойство упругости, столь важное для эфира, оказалось у всех материальных тел связанным с электромагнитным взаимодействием частиц. Говоря иными словами, не упругость эфира давала основу электромагнетизму, а электромагнетизм служил основой упругости вообще.

Упругие свойства “пустого” пространства описываются десятью так называемыми вакуумными уравнениями Эйнштейна (110, с. 7), которые не содержат никаких констант и записаны в криволинейных координатах (23, с. 67). Позже академик Я. Б. Зельдович выскажет следующее предположение по поводу упругости пространства: "Вакуумные уравнения Эйнштейна описывают упругость пространства. Может быть эта упругость целиком определяется эффектами поляризации вакуума” (69. с. 103), Как показало время, Зельдович оказался прав.

Так что же, значит, мировая материальная среда стала физике не нужна? Значит, надо возвращаться к пустоте? Пожалуй, следует сказать так: эфир в свое время действительно придумали потому, что он был нужен; в начале XX века надобность в старом эфире со всем набором противоречивых свойств отпала; однако, как полагал сам творец теории относительности, некая вездесущая материальная среда все-таки должна была существовать и обладать определенными свойствами.

Позднее эту новую материальную среду Эйнштейн вновь предлагал назвать эфиром. В двадцатые годы нашего столетия, уже после публикации классических трудов по специальной и общей теории относительности Эйнштейн не раз повторял в статьях: “Эфир существует. Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира. ”Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами” (69, с, 56).

Но “континуум, наделенный физическими свойствами”, — это не прежний эфир, У Эйнштейна определенными (новыми для науки) физическими свойствами наделяется само пространство. Для общей теории относительности этого достаточно, никакая особая материальная среда сверх того в этом пространстве ей не нужна. В конце концов, общая теория относительности есть теория гравитации — не больше и не меньше. Однако само пространство с новыми физическими свойствами можно было бы вновь назвать эфиром.

Но в современной физике "власть над миром” вместе с теорией относительности делит квантовая теория поля. Она же, со своей стороны, обнаружила в пространстве Эйнштейна весьма специфическую материальную среду с необычными свойствами. Материальная среда, общая для теории относительности и для квантовой теории поля, была названа физическим вакуумом. Наука не решилась снова вернуться к термину ”эфир”,

Итак, в начале XX века была принята в естествознании новая научная парадигма, содержательной базой которой являлись принцип относительности Эйнштейна, геометрия пространства Римана—Эйнштейна и универсальная материальная среда — физический вакуум.

В заключение стоит подчеркнуть, что ни одна другая теория не оказала такого революционного влияния на физику и науку в целом, как теория относительности Эйнштейна (по масштабам теорию Эйнштейна можно сравнить только с теорией Ньютона, заложившего основы современного естествознания). Отказавшись от привычных представлений, Эйнштейн предложил совершенно новые толкования пространства, времени и массы, что потребовало коренной перестройки основных понятий и идей,

Как любопытный факт, отметим, что Эйнштейн не получил Нобелевской премии ни за одну из своих работ по теории относительности. (В 1921 году он был удостоен Нобелевской премии за теорию фотоэффекта, опубликованную еще в 1905 году.) Это, несомненно, свидетельствует о том, что теория относительности показалась прежним нобелевским лауреатам, обсуждавшим новые кандидатуры, слишком радикальной (79, с. 428).

2.1.6. О квантовой механике

Те, кого первое знакомство с квантовой теорией не повергло в шок, скорее всего, вовсе ее не поняли.

В начале XX века были обнаружены две группы явлений (казалось, не связанные между собой), свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики Максвелла к процессам, происходящим в атоме. Первая группа явлений была связана с установлением на опыте двойственной природы света — дуализмом света; вторая — с невозможностью на основе классических представлений объяснить существование устойчивых атомов, а также их оптические спектры,

Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их привели, в конечном счете, к открытию законов квантовой механики.

Впервые понятие кванта было введено немецким физиком М. Планком в 1900 году. Исходя из результатов экспериментов, он высказал идею о том, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями-квантами. Позднее, развивая идею Планка, Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету; свет состоит из отдельных порций — световых квантов, позднее названных фотонами. Кроме того, Эйнштейн обосновал идею квантования энергии — деление энергии на порции(18,с.254),

В 1922 году американский физик А. Комптон экспериментально доказал, что свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, то есть свет является одновременно и волной, и частицей. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать свет волной, а для объяснения других явлений — корпускулой. "Фундаментальные физические сущности микромира — частицы и волны — выявили невиданную ранее в опытах способность заявлять о себе лишь в момент их наблюдения, проявляясь или как волна, или как частица” (35, с. 4). И по существу именно разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.