Что изучает физика?

определение скорости данной системы координат относительно эфира. Однако

никому не удавалось в эксперименте обнаружить движение Земли относительно

эфира, что находилось в противоречии с классической теорией. Знаменитый

эксперимент Майкельсона-Морли (1887 г.) все сомнения, основывающиеся на

несовершенстве используемой при проведении эксперимента, полностью отверг и

позволил окончательно отказаться от концепции эфира. Г.А.Лоренц попытался

отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли согласовать с

существующими теориями, высказав предположение о том, что тела при своем

движении относительно эфира сокращаются в размерах этого движения. Такой

подход позволял сохранить концепцию эфира: эфир существует, он неподвижен,

движение тела относительно эфира обнаружить невозможно, поскольку в

направлении движения тело меняет свои размеры. Из уравнений Лоренца

следовало, что все световые явления будут протекать одинаково в разных

системах координат, поэтому по этим явлениям обнаружить абсолютное движение

по отношению к эфиру невозможно. В свете этого отрицательный результат

эксперимента Майкельсона-Морли выглядел вполне естественным, а точная связь

наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга,

выражаясь не преобразованиями Галилея, а преобразованиями Лоренца.

Понимание причин замены преобразований Галилея преобразованиями Лоренца и

выяснение физических следствий этой замены потребовало пересмотра понятий

пространства и времени.

Вспомним также, как развивались представления о пространстве и времени.

Для аристотельской физики характерно представление о покое как естественном

состоянии любого тела. Это значит, что в движение тело может прийти только

под действием силы или импульса. Следствием такого представления был вывод

о том, что тяжелые тела должны падать с большей скоростью, чем легкие т.к.

они сильнее притягиваются к Земле. В рамках этой традиции законы, которым

подчинялась Вселенная, выводились умозрительно и не проверялись на опыте.

Галилей, заложивший начало современных представлений о законах движения

тел, первым подверг сомнению представления аристотелевской физики. Скатывая

по гладкому откосу шары разного веса, Галилей установил, что скорость

увеличивается независимо от веса тела - на катящееся тело всегда действует

одна и та же сила (вес тела), в результате чего скорость тела возрастала.

Это означало, что приложенная к телу сила не просто заставляет это тело

двигаться (как полагали до Галилея), а изменяет скорость тела. Ньютон на

основе произведенных Галилеем измерений вывел законы движения. Первый

закон: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного

прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не

изменят это состояние. Второй закон: произведение массы тела на его

ускорение равно действующей силе, а направление ускорения совпадает с

направлением силы. Третий закон: действию всегда соответствует равное и

противоположно направленное действие (иначе: действия двух тел друг на

друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны).

Кроме этих законов Ньютоном открыт закон всемирного тяготения: всякое тело

притягивает любое другое тело с силой, пропорциональной массам этих тел.

Чем дальше находятся тела друг относительно друга, тем меньше сила

взаимодействия. Гравитационная сила притяжения звезды составляет четвертую

часть силы притяжения такой же звезды, расположенной на вдвое меньшем

расстоянии. Данный закон позволяет с большой точностью вычислять орбиты

планет.

Если для Аристотеля состояние покоя считалось предпочтительным (если на

тело не действует какая-то сила), то из законов Ньютона следовало, что

единого эталона покоя нет. Это значит, что можно считать тело А движущимся

относительно покоящегося тела В и наоборот - считать тело В движущимся

относительно покоящегося тела А. Отсюда следует, что невозможно определить,

имели ли место два события в одной точке пространства, если они произошли в

разные моменты времени. Иначе говоря, никакому событию нельзя приписать

абсолютного положения в пространстве (как считал Аристотель). Это вытекало

из законов Ньютона. Но это противоречило идее абсолютного бога. Поэтому

Ньютон не признавал отсутствия абсолютного пространства, т.е. того, что

следовало из открытых законов.

Общим для Аристотеля и Ньютона было признание абсолютного времени - оба

полагали, что время между двумя событиями можно измерить однозначно и что

результат не зависит от того, кто осуществляет измерения, лишь бы были в

наличии у измеряющего правильные часы. Время считалось полностью отделенным

от пространства и не зависящим от него.

В 1676 г., за одиннадцать лет до выхода "Математических начал натуральной

философии" Ньютона, датский астроном О.Х.Ремер установил, что свет

распространяется с конечной, хотя и очень большой скоростью. Но лишь

Д.К.Максвеллу - создателю классической электродинамики - удалось объединить

две частные теории, описывавшие электрические и магнитные силы. Согласно

сформулированным Максвеллом уравнениям, описывающим электромагнитные

явления в произвольных средах и в вакууме, в электромагнитном поле могут

существовать распространяющиеся с постоянной скоростью волны (радиоволны с

длиной метр и более, волны сверхвысокочастотного диапазона с длиной порядка

сантиметра, волны инфракрасного диапазона с длиной до десяти тысячных

сантиметра, волны видимого сектора с длиной сорок - восемьдесят миллионных

долей сантиметра, волны ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения

с длиной волны еще более короткой.

Из теории Максвелла вытекало, что радиоволны и свет имеют фиксированную

скорость распространения. Но поскольку после появления теории Ньютона

представления об абсолютном покое ушли в прошлое, возник вопрос:

относительно чего измерять скорость. Для этого было введено понятие эфира -

особой субстанции, заполнявшей пространство. Стали считать, что световые

волны распространяются в эфире (как звуковые в воздухе), а скорость

распространения определяется относительно эфира. Наблюдатели, движущиеся

относительно эфира с разными скоростями, должны были видеть, что свет к ним

идет с разной скоростью, но скорость света относительно эфира должна

оставаться неизменной. Это означало, что при движении Земли в эфире по

своей орбите вокруг Солнца скорость света в направлении движения в сторону

источника света должна быть выше по сравнению со скоростью света при

условии отсутствия движения к источнику света. Однако опыт, поставленный

А.Майкельсоном и Э.Морли в 1887 г., в котором они сравнивали скорость

света, измеренную в направлении движения Земли, со скоростью, измеренной в

перпендикулярном этому направлению движения, показал, что обе скорости

одинаковы. Датский физик Х.Лоренц результат эксперимента Майкельсона-Морли

объяснял тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а

часы замедляют свой ход.

Следующий шаг сделал А.Энштейн созданием специальной теории

относительности, из которой вытекало. что при условии отказа от понятия

абсолютного времени нет никакой надобности в эфире. (Чуть позже аналогичную

позицию высказал и А.Пуанкаре.)

б) Специальная теория относительности

Специальная теория относительности основывалась на постулате

относительности: законы науки должны быть одинаковыми для всех свободно

движущихся наблюдателей независимо от скорости их движения. Это означало,

что скорость света для любых наблюдателей, независимо от их скорости

движения должна быть одинаковой. Важно отметить два следствия, вытекавшие

из данного постулата. Первое - закон эквивалентности массы и энергии.

Второе - закон, по которому ничто не может двигаться быстрее света.

Из закона эквивалентности массы и энергии (Е =mc2, где Е - энергия, m -

масса, с - скорость света) следует, что чем больше энергия, тем труднее

увеличить скорость, причем данный эффект больше проявляется при скоростях,

близких к скорости света. (Так, например, при скорости тела, составляющей

10% скорости света, масса данного тела увеличивается на 0,5%, тогда как при

скорости тела, равной 90% от скорости света, его масса увеличивается в 2

раза.) По мере приближения скорости тела к скорости света его масса

увеличивается все быстрее. Для дальнейшего ускорения требуется все больше

энергии. Но скорость тела никогда не может достигнуть скорости света,

поскольку в этом случае масса тела оказывается бесконечно большой, а потому

для достижения такой скорости потребовалось бы бесконечно большая энергия.

Таким образом, принцип относительности позволяет двигаться со скоростью

света лишь телам, не обладающим нулевой массой (массой покоя), и налагает

запрет на достижение скорости света всем телам, обладающим нулевой массой.

Второе следствие из постулата относительности касается изменения

представлений о пространстве и времени. Если в теории Ньютона время

прохождения светового импульса, посланного из одной точки в другую и

измеренное разными наблюдателями, будет одинаковым (ибо время абсолютно), а

пройденный им путь может оказаться разным у разных наблюдателей (ибо

пространство не абсолютно), а разные наблюдатели получат разные скорости

света (ибо скорость света есть пройденное светом расстояние, деленное на

время), то в теории относительности у каждого наблюдателя должен быть свой

масштаб времени, измеряемого с помощью имеющихся у него часов, причем

показание одинаковых часов, имеющихся у разных наблюдателей, могут не

согласоваться. Оказывается, что в рамках теории относительности нет

надобности в понятиях абсолютного времени и эфира, но зато происходит смена

представлений о пространстве и времени - теперь они не существуют как нечто

не связанное друг с другом, а существует единое пространство-время.

Событие, как нечто происходящее в определенный момент времени и в

определенной точке пространства оказалось возможным характеризовать

четырьмя координатами.

Специальная теория относительности объяснила постоянство скорости света

для всех наблюдателей и позволила описать, что происходит при движении со

скоростями, близкими к световым. Но она не согласовывалась с ньютоновской

теорией гравитации, в соответствии с которой тела притягиваются друг к

другу с силой, которая зависит от расстояния между ними. Это предполагает

бесконечную скорость распространения гравитационных эффектов, а не равную

или меньшую, как это требует теория относительности. Требовалось создать

модель гравитации, согласовывающуюся со специальной теорией

относительности. Эйнштейн в своей общей теории относительности высказал

предположение о том, что гравитация является следствием искривления

пространства-времени, вызванного распределенными в нем массой и энергией.

Искривленность пространства-времени означает, что свет распространяется не

прямолинейно, а искривляется в гравитационных полях. В нормальных условиях

эффект искривления луча зафиксировать наблюдателю трудно, но это можно

сделать во время солнечного затмения, когда Луна перекрывает солнечный

свет. Это предсказание теории было подтверждено наблюдениями в западной

Африке в 1919 г. английской экспедицией.

Другое предсказание общей теории относительности касалось того, что время

вблизи массивных тел должно течь медленнее. Это предсказание было проверено

в 1962 г. Оказалось, что часы, расположенные ближе к поверхности земли,

действительно шли медленнее расположенных выше. Помимо общего интереса

данный результат имеет большое значение для навигационных систем -

игнорирование предсказаний общей теории относительности приводит к ошибкам

при определении координат в несколько километров.

Таким образом, теория движения Ньютона отбросила представления об

абсолютном пространстве, а теория относительности - об абсолютном времени.

В общей теории относительности нет единого абсолютного времени. До создания

общей теории относительности пространство и время выступали как место для

событий, на которое все происходящее не влияет. В общей теории

относительности пространство и время изменяются под влиянием происходящих

процессов и сами влияют на них. Оказалось, что говорить о пространстве и

времени вне пределов Вселенной бессмысленно. Старые представления о вечной

и почти не изменяющейся Вселенной сменились представлениями об изменяющейся

Вселенной, которая имела начало и возможно будет иметь конец.

Таким образом, к началу ХХ века обнаружилась необходимость в коренном

пересмотре представлений о пространстве и времени. Эксперименты

свидетельствовали, что принцип относительности Галилея (в соответствии с

которым механические явления протекают одинаково во всех инерционных

системах отсчета) может быть отнесен и к области электромагнитных явлений,

а потому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму при переходе от

одной инерциальной системы отсчета к другой, т.е. должны быть

инвариантными. Но это оказалось возможным лишь для случаев, когда

преобразования координат и времени при таком переходе отличаются от

преобразований Галилея, используемых в ньютоновской механике. Лоренц

выразил эти преобразования, но не смог дать им верную интерпретацию - она

оказалась возможной в рамках специальной теории относительности, выявившей

ограниченность механической картины мира. Все попытки свести

электромагнитные процессы к механическим процессам в эфире выявили свою

несостоятельность, следствием чего и был вывод о том, что поведение формы

материи в виде электромагнитного поля не укладываются в рамки законов

механики.

в) Общая теория относительности

Специальная теория относительности имеет дело с инерциальными системами

координат, принцип относительности рассматривается применительно к

прямолинейному и равномерному движению. Что же касается непрямолинейного

или ускоренного движения, то принцип относительности в его прежней

формулировке здесь оказывается несправедливым, ибо в движущейся ускоренной

системе координат механические, оптические и электромагнитные явления

протекают не так, как в инерциальных системах отсчета. Правильное описание

этих физических явлений, учитывающее влияние на них ускорения, оказалось

возможным на основе использования криволинейных координат в четырехмерном

пространстве (четырехмерном пространственно-временном континууме

Минковского). Эйнштейн предположил, что особенность сил тяготения

заключается в том, что они всегда пропорциональны массе тела, на которое

они действуют. Отсюда следовало, что все тела при одних и тех же начальных

условиях движутся в поле тяготения независимо от массы или заряда, т.е. их

траектория движения не зависит от свойств движущегося тела, а определяется

свойствами поля тяготения. Это позволяет влияние поля тяготения,

действующего в определенной части пространства, учитывать путем введения

локальной кривизны четырехмерного пространства. В специальной теории

относительности четырехмерный пространственно-временной континуум является

эвклидовым (плоским). Можно предположить, что четырехмерное пространство

может быть и неэвклидовым, т.е. обладать переменной кривизной. В этом

случае определение тела в пространстве возможно лишь с помощью

криволинейной системы координат. Таким образом, под действием сил тяготения

тела изменяют свои размеры и время течет в зависимости от величины этих

сил, т.е. поле тяготения меняет свойства пространства и времени.

Электромагнитное поле существует в пространстве и времени, а гравитационное

поле выражает геометрию пространства и времени. В соответствии с общей

теорией относительности геометрия Евклида применима лишь к пустым

пространствам, где нет тяжелых тел. Вблизи же тяжелых тел пространство

изогнуто.

Общая теория относительности - общая физическая теория пространства,

времени и тяготения - явилась новым этапом в развитии теории тяготения.

Эйнштейн характеризовал отличие новой теории тяготения от старой следующим

образом:

"1. Гравитационные уравнения общей теории относительности могут быть

применены к любой системе координат. Выбрать какую-либо особую систему

координат в специальном случае - дело лишь удобства. Теоретически допустимы

все системы координат. Игнорируя тяготение, мы автоматически возвращаемся к

инерциальной системе специальной теории относительности.

2. Ньютонов закон тяготения связывает движение тела здесь и теперь с

действием другого тела в то же самое время на далеком расстоянии. Этот

закон стал образцом для всего механического мировоззрения. Но механическое

мировоззрение потерпело крах. В уравнениях Максвелла мы создали новый

образец для законов природы. Уравнения Максвелла суть структурные законы.

Они связывают события, которые происходят теперь и здесь, с событиями,

которые происходят немного позднее и в непосредственном соседстве. Они суть

законы, описывающие электромагнитное поле. Наши новые гравитационные

уравнения суть также структурные законы, описывающие изменение поля

тяготения. Схематически мы можем сказать: переход от ньютоновского закона

тяготения к общей теории относительности до некоторой степени аналогичен

переходу от теории электрических жидкостей и закона Кулона к теории

Максвелла.

3. Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их

скоростями. Гравитационные уравнения общей теории относительности стремятся

раскрыть геометрические свойства нашего мира."[13]

Итак, механическая картина мира оказалась несостоятельной в силу того,

что было невозможно объяснить все явления, исходя из предположения о

действии между неизменными частицами простых сил. Попытки перехода от

механических представлений к понятию поля были успешными в области

электромагнитных явлений. Структурные законы, сформулированные для

электромагнитного поля, связали события, смежные в пространстве и времени.

Это были законы специальной теории относительности. Общая теория

относительности сформулировала структурные законы, описывающие поле

тяготения между материальными телами, она обратила внимание на ту роль,

которую играет геометрия в описании физической реальности.

В настоящее время специальная теория относительности подтверждена

экспериментально. Так. например, предсказанное этой теорией увеличение

массы электронов при приближении их к скорости света подтвердилось

неоднократно. Эквивалентность массы и энергии также доказана экспериментами

в ядерной физике. Что же касается общей теории относительности, то столь же

утвердительные экспериментальные доказательства ее истинности отсутствуют.

Многие физики пока не считают достаточно утвердительными факты, приводимые

в ее пользу : малое вековое смещение перигелия Меркурия, слабое отклонение

проходящих вблизи Солнца световых лучей интерпретируются по-разному. Более

убедительным представляется аргумент, связанный с измерением красного

смещения спектральных линий, которые излучаются спутником Сириуса. Однако

единственный аргумент не является доказательством достоверности. Данная

теория не является законченной. Существуют различные точки зрения на

понимание сущности общей теории относительности, отличные от

эйнштейновской. Вместе с тем данная теория является одним из самых

выдающихся теоретических построений, демонстрирующих внутреннюю логическую

стойкость и вносящих в физику множество многообразных идей.

Завершая данный раздел, важно зафиксировать еще раз следующий факт.

Существуют вещество и поле как различные физические реальности. Попытки

физиков XIX века построить физику на основе только понятия вещества

оказались несостоятельными. Построить физику на основе лишь понятия поля

пока не удалось. Так что во всех теоретических построениях приходится

признавать обе реальности. Но в связи с этим встает проблема взаимодействия

элементарных частиц с полем. Попытки решения этой проблемы приводят к

квантовой физике.

3. Квантовая теория

а) Предпосылки квантовой теории

В конце XIX века выявилась несостоятельность попыток создать теорию

излучения черного тела на основе законов классической физики. Из законов

классической физики следовало, что вещество должно излучать

электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и понижать

температуру до абсолютного нуля. Иными словами. тепловое равновесие между

веществом и излучением было невозможно. Но это находилось в противоречии с

повседневным опытом.

Более детально это можно пояснить следующим образом. Существует понятие

абсолютно черного тела - тела, поглощающего электромагнитное излучение

любой длины волны. Спектр его излучения определяется его температурой. В

природе абсолютно черных тел нет. Наиболее точно абсолютно черному телу

соответствует замкнутое непрозрачное полое тело с отверстием. Любой кусок

вещества при нагревании светится и при дальнейшем повышении температуры

становится сначала красным, а затем - белым. Цвет от вещества почти не

зависит, для абсолютно черного тела он определяется исключительно его

температурой. Представим такую замкнутую полость, которая поддерживается

при постоянной температуре и которая содержит материальные тела, способные

испускать и поглощать излучения. Если температура этих тел в начальный

момент отличалась от температуры полости, то со временем система (полость

плюс тела) будет стремиться к термодинамическому равновесию, которое

характеризуется равновесием между поглощаемой и измеряемой в единицу

времени энергией. Г.Кирхгоф установил, что это состояние равновесия

характеризуется определенным спектральным распределением плотности энергии

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13