Третий этап классической физики

 

После этого, в конце XIX в., большинство ученых считало, что создание полной и окончательной естественнонаучной картины мира практически завершено. Все явления природы, в соответствии с этой картиной мира, являются следствием электромагнитных и гравитационных взаимодействий между зарядами и массами, которые приводят к однозначному, полностью определенному начальными условиями поведению тел (концепция детерминизма). Критериями истинности в такой картине мира являются, с одной стороны, эксперимент («практика - критерий истины»), а с другой стороны - однозначный логический вывод (с XVII века, как правило, математический) из более общих посылок (дедукция). Отметим здесь также, что одним из главных методологических принципов классического естествознания являлась независимость объективных процессов в природе от субъекта познания, отделенность объекта от средств познания[11].

Применение классической физики возможно в масштабах наших повседневных явлений. Но при переходе к масштабам атомов классическое описание уже неприменимо. Это связано с величиной постоянной Планка; в обычных условиях возмущения, вносимые вследствие влияния квантов, почти невозможно измерить. В этом мире бегущая через лес газель из-за дифракции превращалась в стадо, автомобиль туннелировал сквозь стену в дом.)

Классическая физика изображала Вселенную в виде огромного механизма, поведение которого можно совершенно точно описать, задав положение всех его частей в пространстве и изменение положения со временем. Этот взгляд основывался на некоторых гипотезах. Во-первых, считалось, что можно одновременно задать параметры, отвечающие локализации объекта и его движению. Однако это противоречит существованию кванта действия в квантовой физике. Во-вторых, в классической физике полагается, что можно сделать пренебрежимо малым влияние возмущений, вносимых процессом измерения. Но для атомных масштабов попытка измерить какую-либо величину приводит к неконтролируемому изменению других величин – свойств системы.

Особое место в классической физике занимает теория относительности Эйнштейна.

Развитие теории относительности началось с изучения некоторых вопросов, связанных с оптическими явлениями, происходящими в движущихся средах. Представление Френеля о свете предполагало существование эфира, заполняющего всю Вселенную и проникающего во все тела. Теория Максвелла уже не требовала, чтобы световые колебания были колебаниями какой-то среды. Но уравнения Максвелла не удовлетворяли принципу относительности классической механики. То есть они становились неверными при переходе в другую движущуюся систему координат по классическим законам преобразования координат. Пришлось возвращаться к понятию эфира и считать, что уравнения Максвелла верны только в том случае, если система отсчета неподвижна относительно эфира. В этом случае изменение скорости движения Земли относительно эфира из-за вращения вокруг Солнца должно было быть зарегистрировано в интерференционных измерениях. Опыт Майкельсона – Морли показал, что никакого движения относительно эфира нет[12].

Почти одновременно с этим были выведены преобразования Лоренца, относительно которых уравнения Максвелла были инвариантны. Были сделаны многочисленные попытки связать эти результаты с классическими представлениями, но все они носили искусственный характер. Делалось даже предположение, что при движении относительно эфира предметы действительно сокращаются.

Эйнштейн в 1905 г. нашел правильную интерпретацию. Она заключалась в том, что именно преобразование Лоренца выражает точную связь между наблюдателями в разных системах отсчета. Отсюда возникают хорошо известные следствия – кажущееся сокращение размеров предметов и замедление хода часов. Также были сделаны обобщения уравнений динамики, в частности было установлено соотношение массы и энергии покоя.

Основу специальной теории относительности составляют два постулата (принципа):

1. Принцип относительности Эйнштейна. Этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных систем отсчета протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальных систем отсчета (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).

2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе. Это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант.

Глубокий анализ этих постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона и отраженным в преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1 все законы природы, в том числе законы механики и электродинамики, должны быть инвариантны по отношению к одним и тем же преобразованиям координат и времени, осуществляемым при переходе от одной системы отсчета к другой. Уравнения Ньютона этому требованию удовлетворяют, а вот уравнения электродинамики Максвелла – нет, т.е. оказываются не инвариантными. Это обстоятельство привело Эйнштейна к выводу о том, что Уравнения Ньютона нуждаются в уточнении, в результате которого как уравнения механики, так и уравнения электродинамики оказались бы инвариантными по отношению к одним и тем же преобразованиям. Необходимое видоизменение законов механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся с принципом относительности Эйнштейна – релятивистская механика[13].

Классические уравнения ньютоновой механики инвариантны относительно преобразования Галилея. И если рассматривать это преобразование как соотношение, отражающее истинную связь между координатами, измеряемыми двумя наблюдателями, движущимися Друг относительно друга прямолинейно и равномерно, то отсюда однозначно следует, что уравнения Ньютона справедливы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно относительно системы неподвижных звезд. Во всех этих системах координат механические явления будут подчиняться одним и тем же законам и, следовательно, никакие механические явления не могут позволить определить скорость системы отсчета, в которой производятся измерения относительно неподвижных звезд. В этом и состоит принцип относительности старой механики. Но с тех пор как Эйнштейн показал, что связь между координатами двух движущихся систем отсчета дается не преобразованием Галилея, а преобразованием Лоренца, положение совершенно изменилось. И, в частности, принцип относительности оказался применимым к оптическим и электромагнитным явлениям, что полностью согласуется с отрицательными результатами опыта Майкельсона и аналогичных ему других экспериментов. Но уравнения ньютоновой механики оказались неинвариантными относительно преобразования Лоренца, и, следовательно, принцип относительности оказался для механических явлений, строго говоря, уже несправедливым. Однако Эйнштейн считал этот вывод неправильным и исходил из предположения о том, что принцип относительности должен быть справедлив для всех физических явлений, в частности и для механических. Но тогда уравнения механики нужно было обобщить таким образом, чтобы они стали инвариантными относительно преобразования Лоренца[14].

При этом новые уравнения должны совпадать в первом приближении со старыми уравнениями Ньютона во всех исследованных ранее случаях, где экспериментальные данные блестяще подтверждали эту теорию. Стало понятно, каким образом необходимо было обобщить основные уравнения механики, чтобы они оказались инвариантными относительно преобразования Лоренца. Уравнения Ньютона утверждают, что производная импульса по времени равна действующей силе. В динамике Эйнштейна это утверждение сохраняет свою силу с той лишь разницей, что импульс определяется там несколько иным образом. Под импульсом материальной точки релятивистская механика понимает не просто произведение массы материальной точки на ее скорость, а произведение массы на частное от деления скорости на некоторую функцию, зависящую от квадрата отношения скорости материальной точки к скорости света в пустоте. Поскольку в обычных условиях скорость материальных тел достаточно мала и квадрат отношения ее к скорости света пренебрежимо мал по сравнению с единицей, то эта функция без заметной ошибки может быть положена равной единице, и мы снова приходим к старым нерелятивистским уравнениям механики. Однако при скоростях, сравнимых со скоростью света, эта функция отлична от единицы и существенно зависит от величины скорости. Отсюда следует отличие релятивистских законов от нерелятивистских, которое тем более заметно, чем ближе скорость тела к скорости света. Кстати, из новых уравнений механики с очевидностью следует, что скорость материальной точки никогда не может достигнуть скорости света в пустоте. Таким образом, скорость света в пустоте оказывается верхним пределом скорости передачи энергии в пространстве. И так a posteriori оказывается оправданной одна из гипотез, сделанных Эйнштейном при анализе методов синхронизации часов.

Важнейшим следствием специальной теории относительности явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е = mc2, подтвержденная данными современной физики.

Высшим достижением Эйнштейна стала общая теория относительности. В 1916 г. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, над которой работал в течение 10 лет. Общая теория относительности обобщила специальную теорию относительности на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы общей теории относительности сводятся к следующему:

- ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется);

- распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).

Изменения, вносимые теорией относительности в уравнения классической механики, сводятся к замене старого импульса произведением некоторой константы, характеризующей свойства материальной точки, на частное от деления ее скорости на функцию, также зависящую от скорости. При желании, однако, можно и в релятивистской механике определить импульс так же, как и в нерелявистской, т.е. как произведение массы на скорость, с той лишь разницей, что в этом случае масса будет уже зависеть от скорости. Поскольку дополнительная функция, фигурирующая в релятивистском выражении для импульса, стремится к единице, когда скорость стремится к нулю, то отсюда следует, что константа должна быть положена равной массе покоя материальной точки, или, как иногда говорят, собственной массе. Последнее название связано с тем, что именно эту величину массы измерил бы наблюдатель, движущийся с той же скоростью, что и материальная точка. Как уже было отмечено, зависимость массы от скорости становится существенной лишь для достаточно больших скоростей, сравнимых со скоростью света.

Основная идея общей теории относительности заключается в том, что гравитационные силы всегда пропорциональны массе тел, на которые они действуют. Тогда траектория тел определяется только свойствами гравитационного поля и не зависит от свойств движущегося тела. Это позволило Эйнштейну учесть влияние гравитационных полей введением локальной кривизны четырехмерного пространства. В этом случае положение какой-либо точки в пространстве может быть определено только с помощью криволинейных координат, что приводит к появлению гравитационных сил[15].

Из общей теории относительности был получен ряд важных выводов:

1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.

2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.

В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как писал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. В 1919 г. научные экспедиции Лондонского Королевского общества, направленные для изучения солнечного затмения подтвердили правильность этого утверждения.

3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.

В результате этого эффекта линии солнечного спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников.

Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-26 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. при изучении спутника Сириуса. Все это явилось убедительным подтверждением общей теории относительности.

Следует сказать, что общей теории относительности произвела настоящий переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной. Вокруг теории относительности развернулись широкие дискуссии, в которые включились люди разных специальностей, появилось множество научных и научно-популярных книг. Философские дискуссии, так или иначе связанные с идеями специальной и общей теории относительности продолжаются и по сей день.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Таким образом, период от древнейших времен до начала ХVII в. – это предыстория физики, период накопления физических знаний об отдельных явлениях природы, возникновения отдельных учений. В соответствии с этапами развития общества в нем выделяют эпоху античности, средние века, эпоху Возрождения.

Физика как наука берет начало от Г. Галилея – основоположника точного естествознания. Период от Г. Галилея до И. Ньютона представляет начальную фазу физики, период ее становления.

Последующий период начинается И. Ньютоном, заложившим основы той совокупности законов природы, которая дает возможность понять закономерности большого круга явлений. И. Ньютон построил первую физическую картину мира (механическую картину природы) как завершенную систему механики. Возведенная И. Ньютоном и его последователями, Л. Эйлером, Ж. Даламбером, Ж. Лагранжем, П. Лапласом и другими, грандиозная система классической физики просуществовала незыблемо два века и только в конце ХIХ в. начала рушиться под напором новых фактов, не укладывающихся в ее рамки. Правда, первый ощутимый удар по физике Ньютона нанесла еще в 60-х годах ХIХ в. теория электромагнитного поля Максвелла – вторая после ньютоновской механики великая физическая теория, дальнейшее развитие которой углубило ее противоречия с классической механикой и привело к революционным изменениям в физике. Поэтому период классической физики в принятой схеме делится на три этапа: от И. Ньютона до Дж. Максвелла (1687 – 1859), от Дж. Максвелла до В. Рентгена (1860 – 1894) и от В. Рентгена до А. Эйнштейна (1895 – 1904).

Первый этап проходит под знаком полного господства механики Ньютона, его механическая картина мира совершенствуется и уточняется, физика представляется уже целостной наукой. Второй этап начинается с создания в 1860 - 1865 гг. Дж. Максвеллом общей строгой теории электромагнитных процессов. Используя концепцию поля М. Фарадея, он дал точные пространственно-временные законы электромагнитных явлений в виде системы известных уравнений – уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Теория Максвелла получила дальнейшее развитие в трудах Г. Герца и Х. Лоренца, в результате чего была создана электродинамическая картина мира.

Этап с 1895 по 1904 гг. является периодом революционных открытий и изменений в физике, когда последняя переживала процесс своего преобразования, обновления, периодом перехода к новой, современной физике, фундамент которой заложили специальная теория относительности и квантовая теория. Начало ее целесообразно отнести к 1905 г. – году создания А. Эйнштейном специальной теории относительности и превращения идеи кванта М. Планка в теорию квантов света, которые ярко продемонстрировали отход от классических представлений и понятий и положили начало созданию новой физической картины мира – квантово-релятивистской. При этом переход от классической физики к современной характеризовался не только возникновением новых идей, открытием новых неожиданных фактов и явлений, но и преобразованием ее духа в целом, возникновением нового способа физического мышления, глубоким изменением методологических принципов физики

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

1. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М.: Юрайт, 2007

2. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. М.:ИНФРА-М, 2003

3. Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания: - М. : Дашков и К, 2005. - 692 с.

4. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах: Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. - Новосибирск : Сибирское унив. изд-во, 2003. - 407 с.

5. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с.

6. Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007

7. Покровский, А.К. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / А.К. Покровский, Л.Б. Миротин; под ред. Л.Б. Миротина. - М.: Экзамен, 2005. - 480 с

8. Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - М. : Юнити, 2005. - 287 с.

9. Солопов, Е.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Е.Ф. Солопов. - М. : Владос, 2003. - 232 с.

10. Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. М., 2004

11. Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания : учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - М. : Высш. шк., 2003. - 208 с.

 

[1] Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - М. : Юнити, 2005. - 287 с.

 

[2] Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с.

 

[3] Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания : учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - М. : Высш. шк., 2003. - 208 с.

 

[4] Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. М.:ИНФРА-М, 2003

 

[5] Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007

 

[6] Солопов, Е.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Е.Ф. Солопов. - М. : Владос, 2003. - 232 с.

 

[7] Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания : учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - М. : Высш. шк., 2003. - 208 с.

 

[8] Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания: - М. : Дашков и К, 2005. - 692 с.

 

[9] Солопов, Е.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Е.Ф. Солопов. - М. : Владос, 2003. - 232 с.

 

[10] Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах : Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. - Новосибирск : Сибирское унив. изд-во, 2003. - 407 с.

 

[11] Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. М.:ИНФРА-М, 2003

 

[12] Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с.

 

[13] Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - М. : Юнити, 2005. - 287 с.

 

[14] Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007

 

[15] Покровский, А.К. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / А.К. Покровский, Л.Б. Миротин; под ред. Л.Б. Миротина. - М.: Экзамен, 2005. - 480 с