Кульминация научной революции

Зарождение электродинамической картины мира связано с именем Альберта Эйнштейна (1879 – 1955), которому принадлежит честь открытия специальной (1905) и общей (или геометрической теории тяготения, 1915 – 1916гг.) теории относительности.

Основания механистической картины мира зашатались лишь в первой трети 20 века. Сначала была решена проблема «ультрафиолетовой катастрофы» (об этом подробнее ниже).

Первый шаг сделал М.Планк, который в 1900 году выдвинул гипотезу о квантах электромагнитного излучения, опираясь на нее, он получил выражение для распределения энергии в спектре излучения черного тела, совпадающее с экспериментом. Согласно этой гипотезе, энергия распространяется в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения, впоследствии она была названа планковской.

Следующий шаг делает А.Эйнштейн, который показал, что свет не только испускает, но и поглощается в форме квантов энергии (фотонов).

Вскоре Луи де Бройль выдвинул гипотезу относительно дуализма электромагнитного излучения: оно проявляет себя и как волна, и как поток корпускул. Более того, этот дуализм присущ не только свету, но и веществу, а также всем элементарным частицам. Отсюда следовало, что физические свойства элементарных частиц не могут быть описаны в рамках механистической модели мира.

Через несколько лет К.Дэвидсон исследовал рассеяние пучка электронов на монокристаллической мишени и показал, что этот процесс идет в точном соответствии с формулой Луи де Бройля, определяющей волновые свойства электронной.

Становилось все более ясно, что физические свойства элементарных частиц – наименьших порций материи – мало напоминают то, что можно о них сказать на основании классической картины мира, физики Ньютона, электромагнетизма Дж.Максвелла. Описание поведения элементарных частиц с помощью классических понятий координат, импульса и энергии, как показал в 1927 году В.Гейзенберг, лишь весьма приблизительно соответствует их реальным свойствам. Соответствующее ограничение получило название соотношений неопределенности Гейзенберга и выражается формулой, смысл которой состоит в том, что нельзя одновременно точно определять значения координаты и импульса частицы, а также энергии для данного момента времени.

Как известно, второй закон Ньютона описывает поведение материальной частицы как точки, которая имеет массу, но не имеет размера. Из принципа дуализма волны-частицы и соотношений неопределенности следует, что для описания поведения элементарных частиц этот закон не применим.

Выход нашел Э.Шредингер, который сопоставил движение микрочастицы с комплексной функцией координат и времени, которую он назвал волновой.

Уравнение Э.Шредингера является основным уравнением квантовой механики, физический смысл его состоит в том, что микрочастица будет обнаружена в пределах некоторого объема. Предсказания квантовой механики носят уже вероятностно-статистический характер, что является принципиально новым для классической механики.

В 1905 году А.Эйнштейн формулирует принципы специальной теории относительности, согласно которым,

-во-первых, скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга,

-во-вторых, во всех таких системах координат одинаковы все законы природы (принцип относительности),

-в третьих, передача воздействия (сигнала) от одного тела к другому не может быть мгновенной, она всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (триста тыс. км в сек).

Радикальному пересмотру подвергается вся классическая картина мира. Как мы помним, Ньютон дал следующие субстанциональные определения пространству и времени, которые и сегодня входят в состав классической физики. Абсолютное истинное математическое время само по себе и по самой сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Истинно революционное содержание теории Эйнштейна заключалось в том, что она отрицала объективный характер пространственно-временной системы координат и утверждала, что эти координаты – всего лишь элементы языка, которым пользуется наблюдатель, описывающий окружающую среду. В качестве метафизического постулата Эйнштейн выдвигает постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета. Вот из этого постулата и вытекает теория относительности.

Тогда оказывается, что нет ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Нет ни в плане их независимости друг от друга, ни в плане их независимости от скорости движения. Отсюда следует так называемый парадокс близнецов. Суть парадокса в том, что изменение скорости течения времени в движущихся друг относительно друга инерциальных системах отсчета приводит к тому, что если одна из систем начала движение с некоторой скоростью, а затем возвратилась с этой же скоростью, получается, что в ней будет общее замедление времени. Другими словами, близнец, находящийся в этой системе, вернется к брату и будет при этом моложе своего брата-близнеца.

Данный парадокс не так тривиален и очевиден, как может представиться. Во-первых, точно такое же рассуждение можно провести относительно другого близнеца, поменяв, таким образом, движущуюся систему на покоящуюся, и наоборот. Во-вторых, важно учитывать, что в специальной теории относительности речь идет о наблюдаемых физических явлениях по отношению к положению наблюдателя. Но нельзя путать наблюдаемость и реальность. Многие парадоксы специальной теории относительности формулируются именно при отождествлении реальности природы и реальности наблюдения. В-третьих, для инерциальных систем такая ситуация нереализуема в действительном мире, поскольку тела не могут мгновенно разворачиваться в обратном направлении. Для такого разворота при околосветовых скоростях необходимы сверхбольшие ускорения, а это будет уже проблема не специальной теории относительности, поскольку она разработана только для инерциальных систем.

Со времен античности известны мировоззрения, согласно которым время и пространство связаны с природными телами и их движением. Сущностью времени Аристотель считал движение. В истории науки Лейбниц известен своей реляционной концепцией, согласно которой без природных тел нет и пространства. Лобачевский также утверждал, что наши представления о геометрии мира связаны с природными телами, их движением, а не являются априорными абстракциями.

В 1916 году А.Эйнштейн создает общую теорию относительности, согласно которой «пространство-время» связывается не только с инерциальными системами отсчета, как в специальной теории относительности, но и с неинерциальными системами: системами, движущимися друг относительно друга с ускорением или находящимися в гравитационном поле тел большой массы. В общей теории относительности постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета дополняется «принципом эквивалентности», согласно которому поле тяготения в небольшой области пространства и времени тождественно по своему проявлению ускоренной системе отсчета.

Для описания явлений природы при таком подходе используется аппарат неевклидовых геометрий (геометрий, в которых пространство искривлено). При малых ускорениях и малых гравитационных полях уравнения общей теории относительности переход в уравнения специальной теории, которые, в свою очередь, при скоростях тел (систем), значительно меньших скорости света, переходят в уравнения классической механики Ньютона. Другими словами, общая теория относительности включает специальную как частный случай.

Итак, новая картина мира содержит всего две автономные реальности – вещество и поле. Законы тяготения – это структурные законы, описывающие гравитационное поле между материальными объектами. Между материей и полем в общей теории относительности нет качественного различия: вещество находится там, где концентрация поля максимальна, а поле – там, где концентрация мала. Сам А.Эйнштейн полагал, что в перспективе всю теорию удастся свести к единственной реальности – к полю.

Исследованиями А.А.Фридмана в 1922 году было установлено, что Вселенная может и расширяться, что в 1929 году было подтверждено астрономическими наблюдениями Э.Хаббла. На этой основе возникла гипотеза Большого Взрыва.

Принцип относительности Галилея утверждает, что физические законы (законы Галилея и Ньютона) останутся неизменными, если от покоящейся системы отсчета мы перейдем в другую, которая движется равномерно и прямолинейно.

Но сохранится ли этот принцип с введением уравнений Максвелла?

Французский математик Анри Пуанкаре (1854 – 1912) и Эйнштейн независимо друг от друга обнаружили, что уравнения Максвелла тоже удовлетворяют некоторому принципу относительности, т.е. остаются неизменными при переходе от неподвижной системы отсчета к движущейся, хотя правила такого перехода несовместимы с физикой Галилея – Ньютона.

Эйнштейн сразу повернул ход мысли Лоренца: он возвел постоянство скорости света в пустом пространстве, являвшееся в электронной теории следствием, в ранг естественного закона и сделал его основой всех рассуждений. В свою электродинамику движущихся тел он перенес и принцип относительности движения, установленный Галилеем и Ньютоном для механического движения. Поскольку при переходе от одной системы отсчета в другую следует изменить значения времени и пространства, он объединил их через независимую от направления постоянную скорость света в вакууме.

Световой эфир стал ненужным, а толкование поля Максвеллом как особого состояния в эфире – беспредметным. Поле получило статус объективной реальности наряду с телами. Математический аппарат теории Лоренца сохранялся, приобретая иной смысл. Понимание времени Эйнштейном устраняло представление об абсолютном времени, универсальном для всех систем. Во вселенной существуют только собственные времена различных материальных систем, и они совпадают лишь при условии, если соответствующие системы находятся в покое относительно друг друга.

В движущихся системах время течет медленнее: часы на экваторе идут несколько медленнее, чем на полюсе. Это и есть релятивистское растяжение времени. В начале века этот эффект явился предметом «парадокса близнецов», а в 1930-х годах растяжение времени было доказано путем экспериментов с возбужденными атомами водорода, а позднее на элементарных частицах космического излучения. В 1958 году Р.Мессбауэр подтвердил эффект, предсказанный Эйнштейном, и в 1961 году был удостоен Нобелевской премии по физике за исследование резонансного поглощения гамма-квантов, и открытие эффекта, носящего его имя.

Теория Эйнштейна приводила к еще одному необычному для классических представлений эффекту – зависимости массы от скорости. Эта зависимость позволила объяснить отклонение быстрых электронов, полученное в 1901 году в опыте В.Кауфмана. Тот нашел отклонение (e/m) на основе одновременных измерений в электрическом и магнитном полях для электрона и установил зависимость этой величины от скорости частицы. Изменение массы можно обнаружить только при скоростях, близких к скорости света. Релятивистская формула сложения скоростей получила подтверждение в опытах Физо – без каких-либо гипотез об увлечении эфира результаты объясняются просто релятивистским сложением скорости света в исследуемой жидкости и скорости среды.

Важным следствием зависимости массы тела от его скорости является то, что сохранение массы должно перейти в закон сохранения энергии.

Эквивалентность массы и энергии, выраженная известной формулой, произвела революцию в физической картине мира, хотя в то время еще не были выполнены эксперименты. После открытия расщепления урана и исследований по физике ядра эта формула приобрела особый смысл в истории цивилизации как основа использования сил атома для разных целей.

В 1907 году Герман Минковский (немец русского происхождения) показал, что пространство и время – понятия неотделимые. Минковский ввел новый формализм, в котором математическая форма записи закона гарантирует его инвариантность при преобразованиях Лоренца. Рассмотрение пространства и времени как свойств поля позволило использовать в физике разработанные Г.Риманом, Н.Лобачевским и Я.Бояи абстрактные представления о пространстве. Так, в электродинамическую картину мира вводились новые элементы, определившие развитие науки 20 века.