Современная физическая картина мира

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  в 1916  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.

  С  точки   зрения  ОТО  пространство  не  обладает  постоянной   (нулевой)

кривизной. Кривизна его меняется от  точки  к  точке  и  определяется  полем

тяготения. Можно  сказать больше: поле тяготения является не  чем  иным,  как

отклонением свойств  реального пространства от свойств  идеального  евклидова

пространства. Величина пространства тяготения в  каждой  точке  определяется

значением кривизны  пространства  в  этой  точке.  Таким  образом,  движение

материальной точки  в  поле  тяготения  можно  рассматривать  как  свободное

«инерциальное»  движение, но происходящее не в евклидовом, а  в  пространстве

с изменяющейся кривизной.  В  результате  движение  точки  уже  не  является

прямолинейным  и равномерным,   а   происходит   по   геодезической   линии

искривленного  пространства.  Отсюда   следует,   что   уравнение   движения

материальной точки, а также и  луча  света  должно   быть  записано  в  виде

уравнения геодезической  линии искривленного пространства.

  В последние  десятилетия своей жизни Эйнштейн  усиленно занимался  поисками

«единой теории поля»,  которая  бы  объединила  теорию  тяготения  и  теорию

электромагнитного поля. С точки зрения  Эйнштейна,  реализация  этой  задачи

позволила бы свойства вещества вывести из представлений  о  свойствах  поля,

рассматривать  вещество  как  такие  области  в   пространстве,   где   поле

чрезвычайно сильно, и объяснить существование  элементарных  частиц.  Однако

несмотря на все  остроумие  его  методов  и  колоссальное  упорство,  ему  не

удалось этого  достигнуть. К середине XX в. стало ясно,  что  работа  в  этом

направлении  должна  осуществляться   с   учетом   существования   не   двух

(гравитационное  и электромагнитное),  а четырех   типов   фундаментальных

взаимодействий. 
 
 
 

1.4 Современное  состояние теории гравитации и её роль в физике 

  В физике XX в. ОТО сыграла особую и своеобразную роль.

  Во-первых, она  представляет собой новую теорию  тяготения хотя,  возможно,

и не вполне завершена и не лишена некоторых недостатков. Трудность состоит

в  том,  что  гравитация  —  это  вид  энергии  поэтому она сама  является

собственным  источником  энергии;  гравитация   как  физическое   поле  сама

обладает  (как,   например  и  электромагнетизм)  энергией  и  импульсом,  а

значит, и массой. следовательно, уравнения  теории  нелинейны,  т.е.  нельзя

просто сложить  известные  решения  для  простых  систем,  чтобы  получилось

полное решение  для сложной системы. С этим связаны,  например,  трудности  в

интерпретации содержания тензора энергии — импульса. Математический  аппарат

теории настолько  сложен,  что почти все задачи  кроме самых простейших,

оказываются  неразрешимыми.  Из-за  та  ких  трудностей    (возможно,    они

скорее технического  характера, но может быть и принципиального)  ученые  до

сих пор — спустя 80 лет после того, как ОТО была сформулирована, — все еще

пытаются разобраться  в ее смысле.

  Во - вторых, на  основе ОТО были развиты два фундаментальных

  направления  современной физики: геометризированные  единые  теории  поля;

релятивистская  космология.

  Успешная геометризация  гравитации заставила многих  физиков задуматься над

вопросом о сущности физики в ее отношении с геометрией. Здесь сложились  две

противоположные точки зрения:

  I) поля и  частицы непосредственно не определяют  характер пространственно-