Механический принцип относительности 5 страница

Одно из самых фантастических предсказаний ОТО – полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Гравитационное замедление времени очень значительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, замирает.

в). Смещение перигелия[139] Меркурия

В соответствии с теорией И.Кеплера Меркурий, как и другие планеты солнечной системы, должен ежегодно проходить через один и тот же перигелий. Однако астрономическими наблюдениями было установлено, что эта точка орбиты смещается за столетие по отношению к неподвижным звездам примерно на 540 . Учет влияния всех видимых известных планет позволил получить для смещения перигелия Меркурия величину порядка 500  в столетие. Необъяснимым оставалось лишь различие в 43  за столетие между предсказаниями теории Ньютона и астрономическими наблюдениями. Объяснение этого эффекта было дано лишь в рамках ОТО. Это предсказание подтверждено экспериментально.

Аналогичные смещения перигелия наблюдаются и у других планет солнечной системы.

г). Гравитационный коллапс. Гравитационные волны

Согласно ОТО звезды с массой свыше двух солнечных масс, израсходовав свой запас термоядерного горючего, должны испытывать коллапс.

Гравитационный коллапс – это катастрофическое быстрое сжатие массивных звезд под действием гравитационных сил.

При коллапсе звезда теряет свою механическую устойчивость и начинает с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает коллапс, то центральная часть звезды становится сверхплотной нейтронной звездой. Однако если радиус звезды уменьшится до значения гравитационного радиуса, то никакие силы не могут воспрепятствовать её дальнейшему сжатию и превращению в черную дыру.

Такая звезда внезапно полностью и навсегда исчезает из поля зрения, т.к. её поверхность не может покинуть ни свет, ни какой-либо другой сигнал. Согласно ОТО ускоряющаяся масса (коллапсирующая звезда) должна излучать гравитационные волны.

Длительное время экспериментального подтверждения существования гравитационных волн получить не удавалось. Однако, 11 февраля 2016 г. об этом было объявлено на специальной пресс-конференции в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне. Среди авторов открытия ‑ исследователей, объединенных в международную коллаборацию LIGO, есть и российские ученые. Собрал их член-корреспондент РАН Владимир Брагинский, профессор физического факультета МГУ и Калифорнийского технологического института. Ныне коллектив возглавляет профессор Валерий Митрофанов.

Более того возможна полная остановка времени в гравитационном поле с достаточно высокой напряженностью. При этом со световым излучением происходит следующее: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина световой волны и уменьшается её частота; при определенной величине напряженности гравитационного поля длина волны стремится к бесконечности. А её частота соответственно к нулю. Для наблюдателя этот эффект проявляется в том, что источник светового излучения становится невидимым, поскольку свет не распространяется, не покидая источника. В частности, со светом, излучаемым нашим светилом, такое может случиться, если Солнце сожмется в шар с радиусом менее 3 км (радиус Солнца составляет 700 000 км).

Звезды, которые способны подвергнуться катастрофическому сжатию их вещества под действием собственного тяготения, приходя к так называемому состоянию черной дыры. Черная дыра – это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что его свет остается внутри. Черные дыры существуют во Вселенной, хотя их до сих пор не удалось обнаружить прямым астрономическим наблюдением. Трудности обнаружения связаны с природой этих необычных объектов, поскольку они не светятся. Черную дыру можно заметить по косвенным признакам, например, в системе двойной звезды, где партнером черной дыры является обычная светящаяся звезда. Наблюдая движение видимой звезды в общем поле тяготения такой пары, можно оценить массу невидимой звезды.

Как следует из ОТО, под действием поля тяготения черной дыры тело падает на неё, например, с высоты 10⁹ м около часа по часам, установленным на падающем теле. Однако по часам, находящимся вдали от черной дыры, свободное падение тела в поле её тяготения длится бесконечно долго. Чем ближе падающее тело к черной дыре, тем более медленным представляется это движение удаленному наблюдателю – наблюдаемое издалека тело бесконечно долго приближается к черной дыре и никогда её не достигнет. Именно в этом проявляется замедление времени в сильном гравитационном поле – вблизи черной дыры.

В настоящее время по косвенным признакам во Вселенной обнаружено наличие черных дыр.

Т.о., ОТО согласуется со всеми современными наблюдениями физических явлений. Несмотря на то, что наука пока не имеет фактов опровергающих выводы теории относительности, необходимо понять, что это тоже физическая модель, которая имеет определенные ограничения. Её выводы справедливы в макромире. Но что произойдет, если её положения перенести на микромир? Не придется ли вводить некую фундаментальную длину L – своеобразный квант пространства и квант времени L / c? Существование этих квантов поставит предел делимости материи и ограничение точности измерений пространственных размеров и временных интервалов.

Заключение

С философской точки зрения наиболее значительным результатом теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. Реляционная парадигма предполагает рассмотрение пространства и времени как систем отношений между взаимодействующими объектами. Пространство и время неразрывно взаимосвязаны, составляют единый пространственно-временной континуум. Кроме того, их свойства напрямую зависят от характера протекающих в них материальных процессов. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть теории относительности в одной, по возможности понятной фразе, он ответил: «раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

ОТО пока не имеет большого практического значения. Она формирует часть общего представления картины мира, в котором мы живем, в частности свойства пространства и времени.

Релятивистская механика стала последней фундаментальной физической теорией, созданной в рамках построения электромагнитной картины мира.

После теоретических работ Д. Максвелла и экспериментальных исследований Г. Герца, П. Н. Лебедева стало ясно, что в природе, кроме вещества, существует ещё один вид материи – электромагнитное поле. Это поле способно взаимодействовать с веществом и обладает, как и вещество, энергией, импульсом и моментом импульса. В системе ЭКМ сохранились идеи механической причинной обусловленности. Уравнения Максвелла (как и законы Ньютона) дают возможность, зная состояние поля в какой-либо момент времени, определить, как оно будет изменяться с течением времени. Однако введение понятия поля внесло совершенно новые представления о локальном характере взаимодействия между объектами, что сыграло решающую роль в дальнейшем развитии всего естествознания.

ЭКМ произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.

ЭКМ объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежнего механического представления о мире. Первым важнейшим результатом электромагнитной концепции стал отказ от гипотезы существования светового эфира, как особой среды для распространения света. Такую роль стало играть само пространство, в котором происходит распространение электромагнитных волн. Второй результат открытия электромагнетизма заключается в объединении световых явлений с электромагнитными процессами, благодаря чему оптика стала частью теории электромагнетизма. В-третьих, введение понятия электромагнитного поля расширило научное представление о формах материи, изучаемых в физике.

Открытие нового вида материи в виде электромагнитного поля вызвало глубокие изменения в мировоззрении не только ученых, но и людей далеких от науки. Были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Но нельзя сказать, что эти изменения были кардинальными, т. к. они осуществились в рамках классической науки. Поэтому электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механические представления о мире.

Случайность все еще пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.

ЭКМ не изменила представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы.

 

 

2.1.5. Квантово – полевая картина мира

«Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые, он уже не может вообразить».

 Л. Д.Ландау

2.2.5.1. Становление квантово - полевой картины мира

Согласно электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду — поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира — дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность)мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность)выражает единство, целостность и неделимость объекта.

В рамках классической физики дискретность и непрерывность мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые, хотя в целом и взаимодополняющие свойства. В современной физике это единство противоположностей, дискретного и непрерывного нашло свое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория — квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов материального мира.

Квантовая механика — это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне.

Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.

Зарождение квантово-полевой картины мира происходило на рубеже XIX – XX вв., когда ещё окончательно не сложилась электромагнитная картина и теория относительности еще не появилась. Экспериментальными основаниями становления квантовой теории стали установление линейчатого характера атомарных спектров и сложной структуры атома, а теоретическим основанием – решение проблемы теплового излучения в квантовой гипотезе М.Планка.

Основные этапы становления квантово-полевой картины мира:

· 1896 г. – открытие А.Беккерелем[140] явления радиоактивности;

· 1897 г. – открытие Д.Томсоном[141] электрона, первой элементарной частицы;

· 1900 г. – М. Планк для объяснения закономерностей теплового излучения предложил квантовую гипотезу, согласно которой электромагнитное излучение испускается отдельными порциями - квантами[142], величина которых пропорциональна частоте излучения; гипотеза Планка стала началом новой физики – квантовой физики;

· 1903 г. - первая попытка создания модели атома (модель атома Д.Томсона): атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом примерно 10 ^-10 м; положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него;

· 1905 г. - А. Эйнштейн разрабатывает квантовую теорию излучения для объяснения закономерностей фотоэффекта, углубляет и уточняет понятие квантов света – фотонов;

· 1911 г. - Э. Резерфорд[143] предложил планетарную модель строения атома: в атоме имеется положительное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома; число положительных зарядов ядра атома соответствует числу электронов, вращающихся вокруг ядра по круговым орбитам, и порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева;

· 1913 г. - Н. Бор создает "полуклассическую, полуквантовую" теорию атома водорода; в основу своей теории Бор положил два постулата;

· 1924 г. - французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами;

· 1927 г. – опыты Дэвиссона[144] и Джермера[145] по дифракции электронов, подтверждающие гипотезу де Бройля;

· 1926 – 1927 гг. – появление волновой механики Э. Шредингера и матричной механики В. Гейзенберга явилось завершение первого этапа становления квантово-полевой картины мира.

В. Гейзенберг пытался решить проблему определения спектральных линий в атоме водорода, считая, что из теории нужно исключить ненаблюдаемые величины (например, положение электрона в атоме, его траекторию и время его обращения) и сосредоточиться на установлении соотношений между наблюдаемыми величинами (энергетические уровни в атоме и амплитуды перехода между этими уровнями). Занимаясь построением моделей энергетических уровней и подсчетом вероятностей переходов между ними, Гейзенберг вывел систему уравнений, содержащую как раз амплитуды квантовых переходов, а ненаблюдаемые, по его мнению, величины в этих уравнениях отсутствовали.

Система уравнений Гейзенберга была записана в форме матрицы. Матрица учитывала каждую из наблюдаемых величин, связанных с определенной парой энергетических уровней, из матрицы можно было определить частоту любой спектральной линии в атоме.

Хотя матричная механика Гейзенберга и смогла описать стационарные состояния атома и переходы между ними, она не могла решить всех проблем, потому что в этой теории отсутствовали ненаблюдаемые, по мнению Гейзенберга, величины.

Несколько позже Э.Шредингером на основе идей де Бройля была разработана волновая механика, в которой электроны рассматривались как некоторые волновые объекты и свойства этих волновых объектов в каждой точке пространства характеризуются некоторой волновой функцией.

Впоследствии установили, что обе теории тождественны. Отличие состояло лишь в том, что матричная механика исходила из идеи дискретности стационарных состояний, а волновая механика основывалась на волновой непрерывной природе частицы. Несмотря на то, что обе формы квантовой механики взаимодополняют друг друга,волновая механика оказалась предпочтительней для физиков, чем матричная механика Гейзенберга.

· 1928 г. – разработка П.Дираком[146] квантовой теории поля (квантовой электродинамики), устанавливающей неразрывную взаимосвязь элементарных частиц и квантовых полей: поле рассматривалось как совокупность частиц, а квантовые частицы — как возбуждение поля.

Последовательное изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с принятыми в классической физике.

 

2.2.5.2.  Фундаментальные представления квантово - полевой картины мира

1) Представления о материи

Преодолевается противоположность корпускулярной о континуальной концепций о строении материи: на уровне микромира материи присущ корпускулярно-волновой дуализм[147].

2) Представления о движении

Движение понимается как всякое изменение. Мир – движущаяся материя; на разных структурных уровнях организации материи существуют специфические формы движения, не сводимые друг к другу.

3) Представления о пространстве и времени

Сохранились релятивистские представления о пространстве и времени.

4) Представления о взаимодействии

В рамках концепции близкодействия открыты четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

5) Представления о причинности

На смену концепции жёсткого детерминизма приходит представление о вероятностной причинности[148].

6) Представление о закономерности

На уровне микромира действуют статистические закономерности, имеющие более фундаментальный характер, чем динамические.

2.2.5.3. Содержание квантово-полевой картины мира

Начало квантово-полевой картины мира положила гипотеза М.Планка о том, что электромагнитному излучению, в т.ч. свету, присущ корпускулярно-волновой дуализм (1900). М.Планк, исследуя проблему излучения абсолютно чёрного тела, впервые высказал предположение, что энергия электромагнитных волн принимает не любые непрерывные значения, а излучается и поглощается лишь в виде определённых дискретных порций (квантов[149]) энергии:  = h , где  - энергия кванта,  ‑ частота соответствующей волны, h = 6,63 10^-34 Дж•с – новая универсальная постоянная, получившая название кванта действия[150] или постоянной Планка.

Для объяснения фотоэффекта А.Эйнштейн ввёл понятие о квантах света (фотонах), предположив, что электромагнитная энергия не только излучается и поглощается квантами, но и распространяется в виде квантов – фотонов.

Сущность корпускулярно-волнового дуализма природы света заключается в диалектическом единстве корпускулярных и волновых свойств света, которые взаимно дополняют друг друга.

1). Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц вещества

Основным понятием квантово-полевой картины мира является понятие элементарной частицы.

В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм не является особенностью только оптических явлений, а имеет универсальный характер. Частицы вещества, в частности электрон, также обладают волновыми свойствами. Соотношение для импульса фотона (  = ) он распространил на микрочастицы вещества, представив его в виде:  = , где Р ‑ импульс микрочастицы,  ‑ длина волны, присущая микрочастице, получившая название длина волны де Бройля, а сама формула – формула де Бройля.

Из оптики известно, что распространение световой плоской волны с угловой частотой  и волновым вектором  описывается комплексной волновой функцией: ( ,t) = A .Учитывая, что энергия и импульс микрочастицы могут быть выражены через  и  (E = ;  = ),

волновую функцию можно представить в виде:

( , t) = A

Для частиц волновая функция отождествляется с плоской волной де Бройля. В квантовой механике волновую функцию часто называют «пси – функцией» (  - функцией).

Общий ход рассуждений де Бройля можно представить так. Ещё в 20-х гг. XIX в. В.Гамильтон[152] установил т.н. оптико-механическую аналогию. Оказалось, что основные законы геометрической оптики и классической механики можно записать в математически одинаковой форме, поставив в соответствие друг другу. Движение частицы в некотором силовом поле и движение светового луча в оптически неоднородной среде с соответственно подобным коэффициентом преломления. В то время в науке господствовала геометрическая оптика и ньютоновская механика, и речь шла именно об их аналогичности. Позднее сложилась волновая оптика, частным случаем которой является геометрическая оптика. Де Бройль решил расширить оптико-механическую аналогию Гамильтона и поставить в соответствие волновой оптике некую «волновую механику», которая должна обладать двумя характерными чертами:

· находиться к волновой оптике в отношении, аналогичном отношению классической механики и геометрической оптики;

· включать в себя классическую механику как предельный случай, так же как волновая оптика включает геометрическую.

Эта новая механика не случайно получила у де Бройля название волновой, ибо её основная черта и состояла в приписывании частицам вещества волновых свойств.

Гипотеза де Бройля получила в 1927 г. экспериментальное подтверждение: была обнаружена дифракция электронов (опыт Дэвиссона-Джермера[153]). Исследуя прохождение и отражение электронов от кристаллов Дэвиссон[154] и Джермер[155] обнаружили с помощью детектора характерную дифракционную картину. Для «электронных волн» кристаллическая решётка мишени сыграла роль дифракционной решётки. Измерения расстояний между дифракционными кольцами для электронов заданной энергии подтвердили формулу де Бройля.

Уже на первых этапах становления и развития квантовой механики были получены важные теоретические следствия.

Во-первых, уже сам де Бройль смог показать, что групповая скорость введённых им волн совпадает со скоростью частиц.

Во-вторых, де Бройль дал естественное объяснение казавшимися непонятными стационарным орбитам Н.Бора. Согласно полуклассической – полуквантовой теории Бора, электрон может вращаться вокруг ядра лишь по некоторым дозволенным орбитам, вводившимся с помощью элементарного кванта действия h чрезвычайно искусственным способом. Оказалось, что боровские орбиты – это те и только те орбиты, на периметре которых укладывается целое число волн де Бройля, вычисленных по его формуле для движущегося вокруг ядра электрона.

Первоначально смысл волновой функции ( , t) был неясен. На этот счёт выдвигались различные гипотезы и модели («волновой пакета»[156], «волна-пилот»[157]), которые на поверку оказались несостоятельными.

Плодотворным оказался подход, основанный на сравнительном анализе дифракции света и микрочастиц (электронов).

Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. С другой стороны, интенсивность волн де Бройля больше там, где имеется большее число частиц (I N). Таким образом, дифракционная картина для микрочастиц является проявлением статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля наибольшая.

Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т.е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицу в различных точках пространства меняется по волновому закону? Однако такое толкование неверно хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательно, что не имеет смысла.

Чтобы устранить эти трудности М.Борн в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а волновая функция ( , t) является амплитудой вероятности.

Амплитуда вероятности может быть и комплексной, а вероятность W пропорциональна квадрату её модуля: W | ( , t)|². Вероятность нахождения частицы в элементе объёма dV равна: dW = | ( , t)|²dV, где = = | ( , t)|² есть плотность вероятности.

Таким образом, физический смысл имеет не сама  - функция, а квадрат её модуля | ( , t)|² определяющий плотность вероятности того, что частица будет обнаружена в пределах объёма dV.

Причём | ( , t)|² = , где  = A  ‑ функция комплексно-сопряжённая с .