Концепции современного естествознания. Часть 1. Науки о неживом (физика, химия, синергетика) - Аркадий Липкин

6.1. Специальная теория относительности (СТО)

Победа электромагнитной теории Максвелла, исходившей из программы альтернативной ньютонианской, привела к кризису господствовавшего до тех пор в среде физиков ньютонианского взгляда на мир. Согласно одному из основополагающих положений последнего «всякое физическое явление можно считать изученным только тогда, когда построена его механическая модель». С механической же моделью максвелловского электромагнитного поля – эфиром дело обстояло плохо. Следствием этого стал критический анализ оснований классической механики, возникли вопросы «что такое сила?», «что такое масса?», а вместе с ними и альтернативные механики без этих понятий. С новой энергией и аргументацией возродился спор XVII в. между Ньютоном и Лейбницем о существовании абсолютного пространства и времени. В физике разразился «гносеологический кризис», который по своему духу вполне отвечал атмосфере «конца века» [Сарабьянов]. Центральное место в этих жарких спорах принадлежит Эрнсту Маху (гл. 11).

На этом фоне вызревал исходный парадокс – противоречие между максвелловской электродинамикой и классической механикой как физическими теориями. Это противоречие сконденсировалось вокруг принципа относительности.

Со времен Галилея существовал принцип относительности как принцип эквивалентности механических явлений во всех инерциальных (т. е. движущихся прямолинейно и равномерно) системах отсчета (например вагон поезда, движущийся без ускорения). В силу этого принципа механические явления не дают возможности наблюдателю, находящемуся в какой- либо из этих систем выделить некое абсолютное движение, т. е. Определить, какая из двух систем отсчета (например, вагон вашего или соседнего поезда) движется «на самом деле».

Математическим выражением этого принципа относительности была инвариантность (неизменность) уравнений движения Ньютона по отношению к преобразованиям Галилея: x'=x+Vt; y'=y, z'=z, t'=t, v'=v+V, где V – скорость движения «штрихованной» системы отсчета O'x'y'z' (вагон), движущейся вдоль оси Ох «нештрихованной» системы Oxyz (перрон) с постоянной скоростью V (рис. 6.1).

Электромагнитная теория Максвелла нарушала эту идиллию. «В уравнения Максвелла входит характерная скорость «c» – скорость света. Поэтому они неинвариантны относительно преобразований Галилея (в этом легко убедиться непосредственной подстановкой вместо скорости света «с» суммы «с+V» в уравнения Максвелла)» [Левич, т. I, с. 208].

Но уравнения Максвелла оказываются инвариантными относительно преобразования Лоренца. Из него следует, что при переходе из «нештрихованной» системы отсчета О в «штрихованную» систему отсчета O' длина отрезков ∆L укорачивается (∆L=∆L'γ, γ = (1– V2/c2)1/2) вдоль движения (шарик сплющивается в блин), а интервалы времени удлиняются (∆t=∆t'/γ).

Специальная теория относительности рождалась из преодоления указанного теоретического противоречия15, путь разрешения которого зависел от выбора ответов на вопросы: 1) обобщать или нет принцип относительности на электромагнитные явления; 2) если обобщать, то как. На первый вопрос все физики отвечали положительно. Что касается второго вопроса, то Эйнштейн (1879–1955) решил менять процедуры измерения, в то время, как Лоренц (1853–1928) и Пуанкаре (1854–1912), которых в начале века, наряду с Эйнштейном, относили к отцам СТО, пытались решить эту проблему посредством сложного взаимодействия эфира с движущимися телами.

Этот выбор лежал в основе знаменитой статьи Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» (1905), где специальная (частная) теория относительности (СТО) была сформулирована почти в полном виде. В основе его СТО лежали два постулата.

1. Все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. «Для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы одни и те же электродинамические и оптические законы».

2. Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета.

Вытекающее из первого постулата изменение законов (уравнений) движения приводит к динамическим эффектам во главе со знаменитой формулой Эйнштейна E = mvc2, где mv = m0 (1– v2/c2)-1/2, v – скорость частицы, m0 – так называемая масса покоя, т. е. масса при v = 016. Эта формула утвердила эквивалентность массы и энергии и стала основой теоретических оценок энергии выделяемой при термоядерных реакциях.

Конец ознакомительного фрагмента.

1

Ссылки на соответствующую литературу см. в [Келле, с. 41].

2

В отличие от классического курса истории науки нас будет интересовать «внутренняя история», связанная с логикой развития систем понятий, а не «внешняя» история взаимодействия людей и идей.

3

Ср. цель Коперника: «… Объяснить ход мировой машины, созданный лучшим и любящим порядок Зодчим» (по [Аршинов, с. 185]).

4

А. Пуанкаре делил историю «математической физики» (имея в виду посленьютоновскую физику XVIII–XIX вв., активно использовавшую математику) на три этапа: на первом этапе, относимом им к XVIII в., образцом является небесная механика, основанная на законах Ньютона. Здесь теории строятся на основе моделей, состоящих из точечных частиц и сил между ними. Второй этап – физику второй половины XIX в. – Пуанкаре определяет как «физику принципов», когда к природным объектам относятся как к сложным машинам с неизвестным внутренним строением («черным ящиком»). Свое время (конец XIX – начало XX вв.) он оценивал как кризис «физики принципов», за которым должен последовать новый третий этап [Пуанкаре, с. 232 и далее]. Описываемая ниже «теоретическая физика», по-видимому, и является этим ожидавшимся Пуанкаре третьим этапом. Не случайно именно конец XIXв. ознаменован «появлением кафедр теоретической физики» [12, с. 9].

5

Без математического слоя нельзя овладеть физикой, нельзя в ней работать, но понимание физики связано, в первую очередь, с освоением модельного слоя. Специфика данного курса состоит в том, что в нем вся теоретическая физика спроецирована на модельный слой, благодаря чему убирается сложная математика. Это позволяет на уровне понимания обсуждать очень глубокие проблемы с далекими от математики и физики гуманитариями.

6

В «Беседах…» Галилея эти два слоя выделяются языком и стилем: математический слой представлен трактатом, написанным на латыни, а модельный – живым диалогом на итальянском.

7

«Мы хотим каким-то образом говорить о строении атома, а не только о наблюдаемых явлениях, к которым относятся, например, … капли в камере Вильсона», – говорит Гейзенберг [Гейзенберг, 1989, с. 162, 112]. Эти мотивы он развивает в статье «Что такое «понимание» в теоретической физике?» [Гейзенберг, 1971, с. 75–77]. Ссылаясь на пример теории Птолемея с ее высокой «предсказательной ценностью», Гейзенберг подчеркивал, что несмотря на это «большинство физиков согласятся, что лишь после Ньютона удалось добиться «реального понимания» динамики движения планет.

8

Это фиксирует и Лакатос: «Внимание ученого сосредоточено на конструировании моделей…» [Лакатос, с. 84–85].

9

В динамике состояние связывается с определенным моментом времени (поэтому время выделено среди других измеримых величин), но это не обязательно. Так стационарные состояния (типа стационарных атомных или планетарных орбит) упорядочиваются с помощью величины энергии и других «интегралов движения» (сохраняющихся при движении величин), в термодинамике аналогичную роль часто играет температура, процесс вообще может сводиться к двум состояниям – начальному и конечному, как при столкновениях.

10

В конце XIXв. ПИО более ранних разделов физики (классической механики, гидродинамики) были таким же образом переосмыслены в рамках теоретической физики и строго переопределены с использованием неявного типа определения.

11

Отметим, что в XVII–XVIII вв. новые ЯРН и ПИО рождались из решения конкретных задач (описание падения тела у Галилея, вывод законов Кеплера у Ньютона), а в XIX в. – при наведении порядка среди эмпирических законов (электродинамика).

12

Исходно Ньютона, как и Галилея, интересовала вполне конкретная задача: построить теорию, из которой бы следовали кеплеровские законы движения планет. Решая ее, он создал свои знаменитые динамику (то, что сейчас принято называть ньютоновской, или классической, механикой) и теорию тяготения.