СТО или специальная теория относительности.
Устранение гипотезы эфира.Физики были убеждены в том, что самой развитой теорией в физике стала электродинамика Максвелла. Эксперименты подтвердили ее, но это коснулось не всех ее идей. Все опыты указали на существование электромагнитных волн, но они ничего «не сказали» об эфире. Данное представление пришло из эмпирического здравого смысла, согласно которому любые волны распространяются в определенной вещественной среде. Если речь идет об электромагнитных волнах, то единственный кандидат на мировую среду для них – это эфир (уже древние натурфилософы представляли его в виде чрезвычайно тонкой вещественной среды, заполняющей все космическое пространство). Поскольку электродинамика сочеталась с механикой, где фигурировало абсолютное пространство, то естественно сложилось представление о том, что эфир заполняет все мировое пространство. Эфир и абсолютное пространство оказались тождественными друг другу. Однако идея эфира прямых свидетельств не имела. Кроме того, в электродинамике эфир приобрел взаимоисключающие свойства. Поскольку он заполняет все пространство, то он должен быть полностью разреженным, проницаемым и планеты должны двигаться сквозь него без трения. С другой стороны, скорость распространения электромагнитных волн чрезвычайно велика и эфир должен быть очень твердым: чем тверже тело, тем быстрее движутся в нем волны. Такая модель противоречива и по научным нормам проблематична. Но, несмотря на это, эфир продолжал выполнять важные функции - он стал мировым пространством и в силу своей неподвижности превратился в абсолютную систему координат.
Уникальные опыты не обнаруживают эфир. Американский физик А. А. Майкельсон (1852-1931) и его сотрудник Э. У. Морли решили экспериментально проверить гипотезу эфира. Они исходили из предположения Френеля о том, что Земля при своем движении увлекает только ту часть эфира, которая находится внутри планеты. Если этот эфир покоится относительно Земли, то относительно другого, внешнего эфира она движется. Если послать луч света к зеркалу, то движение Земли вокруг Солнца должно влиять на время распространения луча так же, как течение реки действует на движение лодки. В случае ее движения против течения время прохождения пути увеличивается. Но такой чувствительный прибор, как интерферометр, не показал никаких признаков «задержки» луча света. Опыт намекал, что эфира как абсолютного пространства не существует. И все же сам научный опыт в силу своей сложности не способен дать окончательный приговор теоретической гипотезе.
Понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Их в свое время ввел Ньютон, связав их с Богом. Абсолютное пространство и время не зависят от материальных тел и друг от друга. В силу своей неподвижности Бог выступает абсолютным или инерциальным наблюдателем, по отношению к которому совершенно точно действует закон инерции. Отсюда и люди могут быть инерциальными наблюдателями, с каждым из них связана инерциальная система отсчета. Эти системы сохраняют состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения в абсолютном пространстве и времени. При всех изменениях относительного пространства и времени (координаты х, у, z, t) законы механики остаются неизменными. Для теоретической механики данные абстракции стали необходимыми идеальными объектами.
Преобразования Лоренца. В механике Ньютона существуют простые преобразования, переводящие одну систему отсчета в другую. В электродинамике дело усложнилось в связи с изучением влияния движущихся тел на электромагнитные процессы. Оказалось, что при переходе от одной системы отсчета к другой нужно в уравнения Максвелла вводить новые члены, ибо скорость здесь не сохраняется. Голландский физик Г.А. Лоренц (1853—1928) предложил сохранить в неизменном виде основные уравнения теории, изменив формулы перехода.
Устранение эфира. Основной вклад в решение данных проблем внес А. Эйнштейн. Он хорошо усвоил урок Маха – изгонять из физики абсолюты, пришедшие в нее извне. Таким абсолютом стал эфир. Его противоречивые свойства и отрицательный результат опыта Майкельсона говорили о том, что эфир является фикцией. И в 1905 г. Эйнштейн решительно отказывается от эфира.
Принципы относительности и предельности скорости света.Французский ученый А. Пуанкаре (1854-1912) и А. Эйнштейн заметили существенное расхождение между идеями механики и электродинамики. В теоретической динамике Галилей и Ньютон утвердили принцип относительности (в механическом движении все тела равноправны). Электродинамика же признала эфир в качестве абсолютного тела, что противоречит принципу относительности. Эту ситуацию Эйнштейн оценил как проблемную, требующую радикальных изменений. В качестве основного метода ученый взял принцип относительности в его универсальном виде: все электромагнитные явления должны зависеть только от относительного движения источников света и материальных тел, включая приборы. Из опытов было уже известно, что скорость света не зависит от движения источников света и сохраняет свою величину. Это эмпирическое обобщение Эйнштейн превратил в теоретический постулат постоянства скорости света. Два данных принципа и стали методом исследования.
Физическое пространство и время требуют измерения.Что такое одновременность событий, происходящих в разных местах?В ньютоновской физике, основанной на абсолютном времени, события одновременны сразу во всех точках пространства. Здесь предполагается мгновенное дальнодействие и как угодно большая скорость сигнала. Эйнштейн предполагает мысленный эксперимент установления одновременности двух событий, происходящих в разных точках пространства. Для достижения синхронности помещенных в них часов используются световые сигналы. И поскольку скорость света велика, но конечна, то два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, должны по-разному оценить одновременность двух событий. Значит, понятие одновременности относительное.
Локальность пространства и времени. В теории Эйнштейна размеры тел и промежутки времени потеряли постоянный и вечный характер. Они приобрели смысл относительных величин, зависящих от относительного движения тел и измерительных инструментов. Тем самым, в центре внимания оказалось не мировое пространство, а местная и ограниченная (локальная) длина, не космическое время, а локальное время, доступное для измерения.
Взаимосвязь изменчивых масс и энергий.Эйнштейн получил реляти
вистскую формулу сложения скоростей. Но самое необычайное следствие касается массы движущегося тела. Оказалось, что она является также относительной величиной, зависящей от скорости. Приращение массы происходит за счет кинетической энергии: чем больше скорость движения тела, тем больше добавка к массе покоя. Эйнштейн показал, что когда тело покоится, то его энергия Е0 выражается формулой: Е0=m0с2. Полная же энергия Е, учитывающая движение, соответствует полной массе: Е = Мс2. Эквивалентность массы и энергии нередко трактуется как превращение массы в энергию. Это представление не является точным. Энергия и масса взаимосвязаны, зависят друг от друга (одно есть мера другого), но друг в друга они не могут превращаться, ибо представляют разные уровни природы. Трансформации происходят на своих, родственных уровнях. Так, микрочастицы вещества переходят в фотоны электромагнитного поля, таков уровень видов физической материи. Соответственно, масса вещества, где основу составляет масса покоя, превращается в массу чистого движения. И, наконец, энергия вещества трансформируется в энергию электромагнитного поля. Стало быть, мысль о превращении массы в энергию вуалирует превращения на трех уровнях.
Континуум «пространство – время».Главный вывод специальной теории относительности (СТО) состоял в том, что физическое пространство и время взаимосвязаны и образуют единство. Их разделение должно иметь сугубо относительный характер. То, что СТО является теорией пространства-времени, хорошо подчеркнул швейцарский теоретик Г. Минковский (1864 — 1909). Он разработал соответствующий математический аппарат с понятием четырехмерного многообразия, где к трем пространственным координатам добавилось время.
СТО указывает на неустранимую активность ученого.СТО возникла в результате совместных усилий ученых – Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна, Минковского. И все же она вызвала у ученых неоднозначную мировоззренческую оценку. СТО разительно отличалась от классической физики. Если в последней законы рассматривались безотносительно к ученому и его приборам, то в теории относительности ключевую роль играет наблюдатель, действующий линейкой и часами. Означало ли это, что Эйнштейн внес в физику субъективистский эмпиризм Маха? Отнюдь, нет! По мнению ученого, «вера в существование внешнего мира, независимо от воспринимающего субъекта, лежит в основе естествознания». Дело в том, что физик познает мир на основе экспериментальной практики. Классическая физика не учитывала активность ученого, его влияние на результаты познания. И на первых порах, когда такое влияние было минимальным и несущественным (крупномасштабные объекты и малые скорости), идеализированный образ науки как объективного «созерцания» был оправданным. Создавая же СТО, Эйнштейн понял, что при изучении света и других объектов, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света, нельзя уже игнорировать практическую сущность познания. Научная теория должна указывать на способ действия ученого, на его приборы и теоретические предпосылки. Эта новая методологическая идея найдет свое дальнейшее развитие в квантовой физике. Кроме того, она существенно повлияла на философскую теорию познания.
Дата добавления: 2016-04-02; просмотров: 1156;