Теория относительности в современном видении

введение

Человек - с момента его появления как биологического вида на протяжении всего своего существования пытается осмыслить окружающий  мир, разобраться в его устройстве и определить себя в нём.

    Естественно, что с развитием самого человека его взгляды на мир менялись: от языческих богов до теории белковой жизни. В процессе познавания мира человек открывал для себя всё новые и новые явления природы, которые не могли существовать по отдельности  друг от друга. Начался процесс объединения и познания мира как единое целое. В последствии образовалась наука философия, из которой вытекли все известные науки.

    В философии, или в одном из её направление естествознание, с XVII в. начинают играть существенную роль философско-методологические принципы, позволяющие на определенном этапе развития знаний начать строить сравнительно цельные научные картины мироздания; закладывать основы идеи бесконечного приближения к объективной истине на основе механического объяснения природы. В первую очередь, это связано с такими именами как Коперник, Кеплер и Галилей. Галилей провозгласил главенствующую роль причинного объяснения природы, включая подчинение принципу причинности самой науки, и утверждал абсолютную объективность научной истины. Он подошел к анализу природных явлений как наблюдатель, отбросивший традиционные воззрения, что послужило формированию определенного стиля научного мышления. Галилей показал, как можно конкретизировать философские идеи в их методологическом качестве применительно к физическому познанию. Принцип относительности, сформулированный Галилеем, в этом отношении является одним из реализованных методологических идеалов, положенных в дальнейшем в основание первой научной физической картины мира – механистической. По праву его можно назвать основателем собственно научной методологии конкретного уровня.

   Вслед за М.В.Мостепаненко, мы будем понимать под физической картиной мира “идеальную модель природы, включающую в себя наиболее общие понятия, принципы и гипотезы физики и характеризующую определенный исторический этап ее развития”. Данная формулировка предполагает определенный синтез физических знаний, не претендуя при этом на реализацию идеала единой физической теории, сформулированной в рамках этой модели. Объяснение (толкование) явлений, предсказанных и описанных физической теорией, проводится, как правило, в рамках существующей модели реальности

      Революционная ситуация, сложившаяся в естествознании в начале XXв., связана с появлением двух новых теоретических концепций – квантовой механики и специальной теории относительности. Как это часто бывает, в начальный период формирования принципиально новой теоретической концепции, первыми носителями методологии являются сами создатели.

1.1 Создание специальной теории относительности

В начале XX в. на смену классической механике пришла новая фундаментальная теория — специальная теория относительности (СТО) созданная усилиями ряда ученых, прежде всего А. Эйнштейном, она позволила непротиворечиво объяснить многие физические явления, которые  не укладывались в рамки  классических представлений. В первую очередь это касалось закономерностей электромагнитных явлений в движущихся телах.

Создание теории электромагнитного поля и экспериментальное доказательство его реальности поставили перед физиками задачу выяснить, распространяется ли принцип относительности движения, справедливый для механических явлений, на явления, присущие электромагнитному полю. Во всех инерциальных системах (т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу) применимы одни и те же законы механики. Но справедлив ли принцип для немеханических явлений, особенно тех, которые представлены полевой формой материи в частности электромагнитных явлений?

Вместе с тем ряд опытов, которые были поставлены еще в 19в.  показал, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо от того, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того, как он движется.

    Все эти противоречия привели к тому, что на рубежу ХIХ—XX вв. развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных положений классической механики:

1.)скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света;

2.)в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности);

3.)координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея.

Было ясно, что эти три положения не могут быть объединены, поскольку они несовместимы. Долгое время усилия физиков были направлены на то, чтобы попытаться каким-либо образом изменить первые два положения, оставив неизменным третье как само собой разумеющееся.

Внутренней логикой своего развития физика подводилась к необходимости найти нестандартный путь в разрешении этого фундаментального противоречия.

В сентябре 1905 г. в немецком журнале появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которая объясняла и отрицательный результат опыта Майкельсона, и смысл преобразований Лоренца и, кроме того, содержала новый взгляд на пространство и  время.

Эйнштейн нашел еще один путь преодоления противоречий в принципиальных основах классической механики. Он пришел к убеждению, что необходимо сохранить два первых утверждения, отказаться от преобразований Галилея. И дело не просто в том, чтобы чисто формально заменить их другим преобразованием. Эйнштейн увидел, что за преобразованиями Галилея кроется определенное представление о пространственно-временных соотношениях, которое не соответствует физическому опыту, реальным свойствам пространства и времени. Слабым звеном принципиальных оснований классической механики оказалось представление об абсолютной одновременности событий. Классическая механика пользовалась им, не сознавая его сложной природы.

До выхода в свет статьи «К электродинамике движущихся тел», в которой впервые были изложены основы теории относительности, Эйнштейн около 10 лет размышлял над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления. Он пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, т.е. к выводу, что и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны. Кроме того, Эйнштейн был убежден в инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он пишет, что еще в 1896 г. у него « возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным!». Таким образом, Эйнштейн, по-видимому еще в молодости пришел к принципу, согласно которому скорость распространения световой волны одинакова во всех инерциальных системах.

Одновременное действие этих двух принципов кажется невозможным. Налицо теоретический парадокс. Из данного парадокса Эйнштейн находит выход, анализируя понятие одновременности. Анализ подводит его к выводу об относительном характере этого понятия. В осознании относительности одновременности заключается суть всей теории относительности, выводы которой, в очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий пространства и времени — основополагающих понятий всего естествознания.

В классической физике полагали, что можно запросто говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал неверность такого  представления. Он начинает с анализа вопроса, каким образом можно установить одновременность двух событий, происходящих в разных точках пространства. Для этого, делает он вывод, нужно иметь в этих точках часы, причем эти часы должны быть одинаково  настроены и идти синхронно. Но как узнать, что двое часов, помещенных в различных местах пространства, идут синхронно; или, то же самое, как узнать, что два события в различных точках пространства, скажем на Земле и на Луне, происходят одновременно. Для достижения синхронности, можно воспользоваться световыми сигналами.

Из нового понимания одновременности, осознания его относительности следуют совершенно революционные выводы о закономерностях пространственно-временных отношений вещей. Прежде кто необходимость признания относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, нужно отметить его границы на масштабе одновременно. Однако то, что одновременно для неподвижного и в наблюдателя, уже не одновременно для движущегося, поэтому и  длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна.

На следующем этапе становления специальной теории относительности этим общим идейным рассуждениям Эйнштейн придает математическую форму и, в частности, выводит формулы преобразования координат и времени — преобразования Лоренца. Но у Эйнштейна эти преобразования имеют иной смысл: одно и то же тело имеет различную длину, если оно движется с различной скоростью , относительно системы, в которой эта длина измерялась. То же самое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимся с различной скоростью часами. В специальной теории относительности размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывался классической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящих от выбора системы отсчёта, с помощью которой проводилось их измерение. Они приобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительные величины, например, скорость, траектория и т.н. Таким образом, Эйнштейн делает вывод о необходимости изменения пространственно-временных представлений, выработанных классической физикой.

Кроме формул преобразований координат и времени, Эйнштейн получает также релятивистскую формулу сложения скоростей, показывает, что масса тела также является относительной величиной зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в соотношении Е = тс2.

Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения. Описание физических процессов в СТО существенно связано с выбором системы координат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн в уже упомянутой статье «К электродинамике движущихся тел» пишет: « Суждения всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процессами». В СТО через осознание того, что нельзя дать описание физического процесса самого по себе, можно только дать его описание по отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики непосредственно проявился диалектический характер процесса познания, активность субъекта познания, неотрывное взаимодействие субъекта и объекта познания.

1.2 Создание и развитие общей теории относительности

Классическая механика и СТО формулируют закономерности физических явлений только для некоторого достаточно узкого класса инерциальных систем отсчета, не предлагая средств для реального выделения таких систем. Вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы.

 После создания СТО Эйнштейн стал задумываться над этой проблемой  применительно к принципу относительности: «Можем ли мы сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливыми для всех систем координат, не только для систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу? Если это можно сделать, то... тогда мы будем в состоянии применять законы природы в любой системе координат».

Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения — распространения принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, то в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно так сформулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание общего принципа относительности.

Но тогда возникал вопрос, а что же такое масса тела в системе? Существует два различных и независимых способа определения Массы тела: 1) через ускорение, которое вызывает любая действую­щий на тело сила (инертная масса); 2) через притяжение в поле тяготения(гравитационная масса — вес тела). Независимость инертной и гравитационной масс и их эквивалентность была известна в класси­ческой механике и выражалась через закон пропорциональности веса и массы Р/m = g. В 1890 г. венгерский физик Л. Этвеш подтвердил факт эквивалент­ности инертной и гравитационной масс с высокой точностью (до 10-9, сейчас эта точность повышена до 10-12).  После открытия зависи­мости инертной массы от скорости (релятивистские эффекты) вопрос о независимости гравитационной массы от любых свойств тела и состояний, в которых они находятся, предстал в новом свете. Нужно было разобраться в вопросе, изменяются ли гравитационные свойства тел, если их инерционные свойства зависят от состояния движения.

Эквивалентность, существующую между ускорением и однородным полем тяготения, которая справедлива для механики, Эйнштейн считает возможным распространить на оптические и вообще любые физические явления. Этот расширенный принцип эквивалентности и был положен им  в основу общей теории относительности. Построение ОТО он завершил в1916 г. При этом он использовал понятия и математический аппарат неевклидовых геометрий.

Мысленные эксперименты убедительно показывали, что релятивистская физика не может основываться на евклидовой геометрии и А. Эйнштейн вводит представление о том, что метрика пространства-времени обусловлена гравитационным полем, которое в свою очередь создано вещественными образованиями: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями». Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира». Эйнштейн исходил из того, что пространственно-временной континуум носит риманов характер. А мановым (в узком смысле) называется пространство постоянной положительной кривизны. Его наглядный образ — поверхность обычной сферы. Это значит, что движение частицы в гравитационном поле определяется кратчайшей мировой линией, которая не является прямой, но тем не менее является кратчайшей.