4.1.3. Философские проблемы современной физики

4.1.3.1. Теории относительности

О философских вопросах современного физического знания говорят, главным образом, в связи теориями относительности и квантовой механикой.

Наличие собственно философской составляющей в теориях относительности связано с тем, что в рамках специальной и общей теорий относительности ставятся вопросы:

1. О природе и геометрических характеристиках таких предельных свойств реальности, как пространство и время;

2. О зависимости между данными, которые получает наблюдатель, и той системы отсчета, с которой он связан.

Первый вопрос имеет отношение к проблемам онтологии, а второй – к проблемам современной теории познания.

Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности было связано с необходимостью решить ряд проблем фундаментального характера, существование которых было осознано в физике на рубеже XIX – XX вв. Одна из таких проблем была связана с так называемым «эфиром» – гипотетической средой, через которую передаются электромагнитные колебания (в том числе, видимый свет).

Еще в XVII веке в физике был поставлен вопрос о природе света. Тогда же были выдвинуты две противоречащие друг другу теории:

• сторонники одной из них полагали, что свет – это поток мельчайших частиц или корпускул, которые двигаются в пустоте;

• сторонники другой теории считали, что свет представляет собой волну, т.е. пространственное перераспределение энергии.

В конце XIX века большинство ученых придерживалось волновой теории света. Следует заметить, что волновая теория предполагает поиск вещества или среды, через которую распространяются волны. Эту среду и называли «эфиром». Проблема была в том, что эфир никто не наблюдал.

Джеймс Максвелл выдвинул идею опыта по обнаружению эфира. Смысл этой идеи можно объяснить так. Если а) направить луч света на объект, который движется со скоростью, допустим, 30 км/сек в том же направлении, что и луч, который движется со скоростью 300 000 км/сек (примерная скорость света в пустоте), а затем б) направить другой луч навстречу этому объекту, то в результате должно получиться следующее. В случае а), когда объект как бы «убегает» от луча, последний обгонит его со скоростью, которая равна 300 000 – 30 = 299 970 км/сек. В случае б), когда объект и луч движутся навстречу друг другу, они минуют друг друга со скоростью, которая равна 300 000 + 30 = 300 030 км/сек. Разницу полученных результатов можно интерпретировать следующим образом. Луч и объект находятся в эфире и перемещаются через него. Сам эфир – неподвижен и его можно рассматривать как абсолютную систему отсчета, в пределах которой происходи движение тел. Факт того, что измеряемая скорость изменяется в зависимости от направления движения тел, доказывает, что эфир как абсолютная система отсчета есть.

Еще более наглядно идею Максвелла можно представить следующим образом. Допустим, я еду в автобусе, который двигается со скоростью 60 км/ час. Во время движения автобуса я перемещаюсь по его салону сначала по направлению движения со скоростью 5 км/час, а затем против направления движения с такой же скоростью. Какова будет моя суммарная скорость в каждом случае относительно дороги? Очевидно, что в первом случае – 65 км/час, а во втором – 55 км/час. Данный расчет основан на предположении, что дорога есть и она неподвижна. Дорога в данном случае – это абсолютная и неподвижная система отсчета, отталкиваясь от которой я и провожу соответствующие расчеты. Дорога в данном примере – это аналог эфира, который пытался обнаружить Максвелл.

Следует заметить, что идея эксперимента Максвелла основана на предположении, что эфир – это абсолютная система отсчета, вычисление координат любых объектов в которой может быть выполнено в соответствии с преобразованиями Галилея.

Xʹ

X

Координаты движущегося объекта с точки зрения наблюдателя связанного с неподвижной системой отсчета определяются следующим образом: xʹ = x + v × t

Неподвижная система отсчета (A)

Движущаяся система отсчета (В)

tʹ

t

Согласно преобразованиям Галилея координаты неподвижной (А) и движущейся (В) систем отсчета связаны следующими преобразованиями:

1) xʹ = x + v × t; 2) tʹ = t.

Из этого следует, что движение не оказывает никакого влияния на ход времени, то есть время абсолютно (т.е. везде течет одно и то же время): tʹ = t. Пространство также предполагается абсолютным (т.е. везде есть одно и то же пространство). Например, наблюдатель, связанный с неподвижной системой отсчета А и находящейся в точке X = 0, легко может определить местоположение автомобиля движущегося с постоянной скоростью 60 км/ч в течение 30 мин. (система отсчета В): Xʹ = X + 60 × 0,5.

Идею опыта Максвелла практически реализовали А. Майкельсон и Г. Морли, которые в 1880 году при помощи интерферометра попытались обнаружить эфир. Полученный ими результат не подтвердил ранее произведенных расчетов скорости, но показал, что скорость света одинакова в любых направлениях и не зависит от направления движения и скорости других тел. В результате эксперимента Майкельсона – Морли была отвергнута теория о существовании эфира как гипотетической среды и абсолютной системы отсчёта. Однако, возник вопрос о том, как можно объяснить константность скорости света, который состоит в том, что если, например, направить навстречу два луча, каждый из которых движется со скоростью 300 000 км/сек, то результат будет 300 000 км/сек, а не 600 000 км/сек.

Парадокс константности скорости света не согласуется с данными наблюдений для случаев относительно малых скоростей и противоречит преобразованиям Галилея, которые следуют из гипотез об абсолютности времени и пространства, принятых в рамках классической механики.

Хендрик Лоренц предложил систему преобразований, отличающиеся от преобразований Галилея, которые позволяют вычислить пространственные и временные координаты в разных системах отсчета и которые не противоречат опыту Майкельсона:

3)

;

4)

.

Из этих уравнений можно получить формулу, которая называется релятивистским законом сложения скоростей:

5)

.

В этой формуле iʹ и v – скорость объектов, а с – скорость света в вакууме, которая равна 300000 км/сек. Например, если скорости обеих тел равны скорости света, и они двигаются навстречу друг другу, то их суммарная скорость будет:

Релятивистский закон сложения скоростей эквивалентен постулату о постоянной скорости света и является обобщением классического закона сложения скоростей (т.е. преобразований Галилея) i = iʹ + v для случаев скоростей, которые сравнимы со скоростью света. Поэтому если рассматриваемые скорости значительно меньшие скорости света, то релятивистский закон сложения скоростей дает практически такие же результаты, что и классический:

Лоренц попытался дать физическое обоснование опыта Майкельсона и смысла данных формул. По его мнению, в теле, движущемся с околосветовой скоростью, возникают силы, которые сжимают его в направлении движения, и все процессы, происходящие в этом теле, также замедляются. Однако было совершенно непонятным, какова и природа этих сил и почему они действуют совершенно одинаково в любых телах независимо от их физико-химического состава. Поэтому Эйнштейн отказался от интерпретации, которая была предложена Лоренцем. Согласно его выводам, эффект с которым столкнулся Майкельсон и который математически описал Лоренц, является следствием определенных свойств пространства и времени.

В 1905 г. в статье «К электродинамике движущихся тел» А. Эйнштейн изложил теорию, которая впоследствии получила название специальной теории относительности. В основу этой теории Эйнштейн положил два постулата:

1. Специальный принцип относительности;

2. Принцип постоянства скорости света.

Согласно первому постулату, в любых инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают одинаково. Другими словами, утверждение Галилея о том, что в инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одиноко, Эйнштейн обобщил до утверждения об одинаковом протекании любых физических явлений (в том числе и электромагнитных и оптических) во всех инерциальных системах. Вторым постулатом является утверждение о постоянстве скорости света. Согласно этому постулату, скорость света не зависит от движения источника света или наблюдателя, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и является предельной скоростью распространения какого-либо сигнала.

Одновременное признание этих двух постулатов означало, что необходимо найти такие преобразования, при которых при переходе от одной инерциальной системы к другой скорость света оставалась постоянной. Этим требованиям как раз и удовлетворяют уравнения Лоренца. Из постулатов специальной теории относительности следуют выводы о том, что понятия об «одновременности событий», «длительности временного промежутка» и «длины отрезка» перестают носить абсолютный характер, а являются зависимыми от выбора системы отсчета, из которой ведется наблюдение.

Относительность понятия «одновременность событий» может быть проиллюстрирована следующим примером. Даны две инерциальные системы отсчета: А и В. Будем считать, что система А неподвижна, а система В перемещается относительно системы А вдоль оси X слева направо.

Неподвижная система отсчета (A)

Движущаяся система отсчета (В)

X

Xʹ

Направление света от заднего фонаря к центру

Направление света от переднего фонаря к центру

Пусть в движущейся системе В происходят два одновременных события. Представим, что движущаяся система В это поезд, двигающийся слева направо, на обеих концах которого одновременно вспыхивают сигнальные огни. С точки зрения наблюдателя, связанного с движущейся системой В (пусть это будет пассажир, который находится точно по середине поезда и поэтому равноудален от обеих огней) события, появление которых он фиксирует одновременно, и «в действительности» происходят одновременно. Другими словами, пассажир, видящий одновременно вспышки фонарей и знающий, что фонари расположены относительно него на одинаковом расстоянии, сделает вывод, что они вспыхнули одновременно.

С точки же зрения наблюдателя, связанного с неподвижной системой отсчета А события будут развиваться по-другому. Пусть система отсчета A это перрон, на котором неподвижно стоит дежурный по станции, мимо которого проносится поезд (система отсчета В). Допустим, что в тот момент, когда середина поезда и находящийся там пассажир оказывается точно напротив дежурного, он тоже видит одновременно вспышки двух фонарей на разных концах поезда. Однако, по его мнению, «в действительности» фонари вспыхнули не одновременно, так как свет распространяется с конечной скоростью, равной 300 000 км/сек. Дело в том, что по расчетам дежурного, в тот момент, когда фонари вспыхнули, середина поезда еще не поравнялась с ним, а была немного сзади, поэтому фонарь последнего вагона был дальше, чем фонарь первого. То есть свет – согласно этому рассуждению – от последнего вагона прошел больший путь, чем свет от первого. Но если вспышки от обоих фонарей наблюдаются одновременно, значит фонарь последнего вагона вспыхнул раньше. Рассуждения каждого наблюдателя логически корректны и каждый по-своему прав. Из этого можно сделать вывод, что не существует абсолютной одновременности не связанной ни с какой системой отсчета, т.е. одновременность относительна.

Из постулатов Эйнштейна следует эффект замедления времени или относительность временных промежутков. Смысл этого эффекта состоит в том, что с точки зрения наблюдателя, движущегося относительно рассматриваемой системы, все интервалы времени, характеризующие процессы в этой системе (tʹ) увеличиваются по сравнению с интервалами, наблюдаемыми в самой этой системе (t), то есть наблюдателю кажется, что время «течет замедленно». Эффект сокращения расстояния состоит в уменьшении длин отрезков с точки зрения наблюдателя, перемещающегося вдоль этих отрезков. Понять смысл этого можно при помощи следующей аналогии. Допустим, мимо нас проносится некоторый объект длиной l = 100. Для того, что бы измерить его длину, мы должны одновременно приложить к его концам линейку. Но сделать это действительно одновременно можно лишь в случае, если измеряемый объект неподвижен относительно нас. Если же он движется, то сделать это одновременно невозможно: всякий раз он будет смещаться на некоторую величину и поэтому измеренная нами длина будет немного меньшей той, какая бы получилась, если бы объект был неподвижным относительно нас. Следует заметить, что отрезки, ориентированные перпендикулярно направлению движения, сохраняют свою длину неизменной.

Разработанная А. Эйнштейном специальная теория относительности применима для расчета временных и пространственных характеристик объектов, которые находятся в инерциальных системах отсчета, то есть двигаются равномерно.

Однако реальные тела двигаются не только равномерно, но и с ускорением. Чтобы отразить этот факт, Эйнштейн в рамках общей теории относительности сформулировал следующие постулаты:

1. Законы физики инвариантны (одинаковы) в любых движущихся системах координат (в том числе и не инерциальных, а движущихся с ускорением);

2. Ускоренное движение физически эквивалентно покою в гравитационном поле.

Эйнштейн обратил внимание на интересное свойство гравитации. С одной стороны, от нее нельзя заслониться никакими экранами как, например, можно сделать в случае электромагнитного взаимодействия. С другой стороны, от нее легко избавиться, если соответствующим образом выбрать направление движения. Об этом, в частности, свидетельствует мысленный эксперимент, впоследствии названный «лифт Эйнштейна»: помещенный в закрытый лифт наблюдатель, ощущая исчезновение веса, не может решить, что произошло в действительности: либо лифт начал падать вниз с ускорением свободного падения, либо исчезло гравитационное поле Земли.

Пропорциональность гравитационной силы инертной массе делает ее неотличимой от силы инерции. При движении неинерциальной системы отсчета с ускорением, равным ускорению свободного падения, вдоль направления гравитационных сил наступает взаимная компенсация сил тяготения и сил инерции, вследствие чего возникает явление невесомости. До появления общей теории относительности считалось, что гравитация или взаимное притяжение между телами возникает вследствие того, что все тела, обладающие массой, создают вокруг себя особое поле.

Универсальность взаимного притяжения тел впервые осознал еще Ньютон, в результате чего им был сформулирован закон Всемирного тяготения, согласно которому между любыми двумя телами возникает сила притяжения, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Правильно сформулировав этот закон, Ньютон, однако, не указал причины возникновения гравитационных сил притяжения. После Ньютона неоднократно предпринимались попытки создания теории гравитации. В частности, предлагались теории, которые объясняли возникновение сил тяготения механическими взаимодействиями тел с некой промежуточной субстанцией. Согласно этим теориям, притяжение между телами возникает вследствие разряжения среды, возникающего при поглощении ее телами. Однако, такие теории имели один существенный недостаток: правильно предсказывая зависимость силы от расстояния, они также предсказывали еще один, ненаблюдаемый эффект: торможение тел, движущихся относительно этой субстанции.

При объяснении гравитации Эйнштейн отказался от теории поля. Он выдвинул концепцию, согласно которой гравитация – это не поле, а свойство пространства. Согласно взглядам Эйнштейна, массивное тело не создает вокруг себя никакого поля, оно просто искривляет пространство вокруг себя. Путь тела, движущегося по инерции в искривленном пространстве, описывается не прямой, а так называемой «геодезической линией», характеристики которой определяются степенью кривизны пространства. Степень кривизны пространства зависит от величины массы тела и степени удаленности от него. Таким образом, согласно общей теории относительности геометрические свойства пространства оказываются зависимыми от массы. Это значит, что реальное пространство может быть не плоским, а искривленным. Для описания такого пространства невозможно использовать плоскостную геометрию Евклида, а необходима геометрия кривых Римана.

Общая теория относительности подтверждена экспериментально. Например, зарегистрирована прецессия эллиптической орбиты планеты Меркурий. Также зарегистрировано искривление лучей света вблизи Солнца.