Релятивістська програма А. Ейнштейна

Одним з фундаментальних подій в історії науки був перехід від класичної до некласичної науці. Такий перехід був пов’язаний з розвитком теорії відносності, яку, за словами М. Борна, “можна вважати завершальним моментом класичного періоду або початком нової ери. Бо, з одного боку, вона виходить з твердо встановлених класичних понять про матерії… і про каузальних, або, більш точно, детерминистических, законах. Але, з іншого боку, вона вносить революційні уявлення про простір і час, рішуче критикуючи традиційні концепції, сформульовані Ньютоном “1. У цьому сенсі можна сказати, що теорія відносності виявилася останньою класичною теорією і разом з тим перший теорією некласичної фізики. Зі створенням теорії відносності закінчився золотий вік класичної науки, а разом з ним зникла і впевненість у тому, що класична раціональність може бути прийнятною основою для продовження розпочатого Ньютоном діалогу людини з природою.

Хоча теорія відносності була революційним переворотом в науці, вона проте являє собою закономірний підсумок всього попереднього розвитку класичної науки, “природне продовження лінії розвитку, що проходить через століття” 2. На це неодноразово вказував сам творець теорії відносності Альберт Ейнштейн (1879-1955). Так, незадовго до своєї смерті він писав своєму біографу Карлу Зеліг, що спеціальної теорії відносності передували знамениті перетворення Х. Лоренца, концепція електромагнітного поля Фарадея-Максвелла. За словами Ейнштейна, “теорія відносності. з’явилася свого роду вінцем чудового створення Максвелла і Лоренца “1. І далі: “.теорія відносності виросла з електродинаміки як разюче просте узагальнення і об’єднання ряду незалежних один від одного гіпотез, на яких була заснована електродинаміка” 2. При цьому він особливо підкреслював, що “ця теорія виникла не умоглядним шляхом, а в результаті прагнення якнайкраще задовольнити даними досвіду” 3.

Зокрема, своїм походженням теорія відносності зобов’язана тій труднощі, з якою зіткнулася електродинаміка Максвелла при поясненні рухомих тіл. Запропонована для вирішення цього завдання послідовником Максвелла Герцем теорія порожнього простору (ефіру), згідно з якою ефір, що володіє аналогічними властивостями вагомою матерії, повинен мати в кожній точці певну швидкість, суперечила результатами експерименту Физо з розповсюдження світла в рухомої рідини. Вихід з цього скрутного становища знайшов Лоренц, створивши свою теорію про існування нерухомого світлового ефіру, відповідно до якої рух речовини не супроводжується рухом світлового ефіру. Навпаки, всі частини ефіру знаходяться у відносному спокої, тобто вся матерія як би залучена в якусь гіпотетичну середу. Хоча теорія Лоренца узгоджувалася з результатами експериментів, все ж вона виявилася незадовільною в одному важливому пункті: вона віддавала перевагу деякій системі координат, пов’язаної зі станом спокою по відношенню до ефіру, в порівнянні з усіма іншими системами координат, що рухаються щодо цієї. У даному пункті теорія суперечила принципу відносності класичної механіки, що стверджує рівноправність усіх інерційних систем відліку.

Як зазначає сам Ейнштейн, успіхи теорії Лоренца були настільки великими, що фізики, не замислюючись, відмовилися б від принципу відносності, якби не був отриманий один важливий експериментальний результат – результат досвіду Майкельсона – Морлі. Цей досвід проводився з метою перевірки гіпотези ефіру допомогою співвідношення величин швидкості світла по відношенню до напрямку руху Землі і перпендикулярно їй. Отримані при цьому негативні результати привели до корінних змін наших уявлень про простір і час, тобто до теорії відносності. Стало бути, спеціальна теорія відносності зобов’язана своїм походженням якраз зазначеної вище проблеми і досвіду Майкельсона-Морлі1.

Першою метою спеціальної теорії відносності (СТО) було вирішення питання: чи суперечить насправді спеціальний принцип відносності рівнянням Максвелла для порожнього простору? На перший погляд здавалося, що відповідь має бути ствердною, тому що якщо рівняння Максвелла справедливі в системі координат К, і вводиться нова система К ‘згідно перетворень Галілея, то рівняння Максвелла більш незастосовні в нових координатах. Але ця видимість оманлива. Більш ретельний аналіз фізичного змісту простору і часу з очевидністю показав, що в основі перетворень Галілея лежать довільні допущення, зокрема твердження, що поняття одночасності має сенс незалежно від стану руху використовуваної системи координат. Ейнштейн ж показав, що одночасність двох подій має не абсолютний, а відносний характер і залежить від спостерігача з заданим станом руху. Виявляється, що дві події, одночасні для одного спостерігача, для іншого, що рухається щодо першого, що не будуть одночасними. Саме в цьому полягає фундаментальна зміна поняття часу в рамках СТО.

Отже, рівняння Максвелла задовольняють спеціальним принципом відносності за умови, що використовуються перетворення Лоренца. Іншими словами, щоб спеціальний принцип відносності міг виконуватися, необхідно, щоб всі рівняння фізики не змінювали свого вигляду при переході з однієї інерціальної системи в іншу. Говорячи мовою математики, всі системи рівнянь, що виражають закони фізики, повинні бути коваріантного щодо перетворень Лоренца. З цієї точки зору спеціальний принцип відносності має велике методологічне значення, бо, за словами Ейнштейна, “він дає нам загальне умова, якому повинні задовольняти всі закони природи” 1.

В цілому побудова спеціальної теорії відносності зводиться до двох основних кроків: 1) до пристосування пространственновременной метрики до рівнянь Максвелла; 2) до пристосування іншої частини фізики до цієї видозміненій метриці. Перший з цих кроків призводить до відносності одночасності, другий же дає видозміна ньютоновского закону руху на випадок великих швидкостей, а також показує важливість природи інертної маси. Виявилося, що інерція не фундаментальну властивість речовини, а являє собою властивість енергії. Якщо тілу повідомити енергію Е, то його інертна маса зростає на величину Е / с2. Іншими словами, тіло з масою т можна розглядати як згусток енергії, рівної за величиною тс2.

Таким чином, найважливіший результат загального характеру, до якого привела СТО, відноситься до поняття маси. Дорелятівістская фізика знала два фундаментальних закони: закон збереження енергії і закон збереження маси, які вважалися незалежними один від одного. Теорія відносності злила їх в один закон: E = mc2, в якому закон збереження енергії включає в себе закон збереження маси.

Простіше кажучи, теорія відносності, зокрема СТО, виникла з характерного для фізики XIX ст. протиріччя між механікою і електродинамікою. Закони класичної механіки задовольняли принципом відносності Галілея: всі інерціальні системи рівноправні. Інша картина спостерігалася в електродинаміки. Явища інтерференції і дифракції змушували фізиків розглядати світло як хвильовий процес. Майже до кінця XIX в. вважалося, що світло являє собою механічні коливання гіпотетичної середовища – ефіру. З перемогою електромагнітної теорії світла останній став розглядатися не як рух ефіру, а як електромагнітний процес в ефірі. Передбачалося, що світло поширюється в порожньому просторі з постійною швидкістю щодо ефіру. Ефір розглядався як абсолютно нерухома по відношенню до простору матеріальне середовище. У цьому сенсі він виступав як привілейованої системи відліку, що суперечило принципу відносності, тобто електродинаміка не задовольняла принципом відносності, що заперечував наявність привілейованих систем, зокрема абсолютно покояться систем відліку.

Отже, до СТО привела наступна дилема: принцип сталості швидкості світла, згідно з яким світ в порожньому просторі завжди поширюється з однією і тією ж швидкістю, і принцип відносності, затверджує справедливість законів класичної фізики щодо всіх інерційних систем. Елементарні інтуїтивні міркування, здавалося б, кажуть, що один і той же промінь світла не може рухатися з однією і тією ж швидкістю (С) по відношенню до всіх систем координат, а принцип сталості швидкості суперечить спеціальному принципом відносності. Однак, як показав Ейнштейн, це протиріччя є удаваним і засновано на омані щодо абсолютного характеру часу, точніше, одночасності віддалених подій. Дане протиріччя легко вирішується, якщо відмовитися від ні чим не виправданою гіпотези класичної механіки про те, що проміжок часу між двома подіями не залежить від стану руху системи відліку, тобто якщо на цю ситуацію поглянути крізь призму поняття відносного часу, а саме поняття відносної одночасності. У світлі цього поняття принцип сталості швидкості світла виконується в усіх інерційних системах.

Таким чином, хоча обидва фундаментальних принципи СТО переконливо були підтверджені експериментами, але вони здавалися логічно несумісними. СТО зуміла їх примирити ціною зміни фізичних уявлень про простір і час. Іншими словами, найважливішим результатом численних спроб вирішити уявне протиріччя між принципом сталості швидкості і принципом відносності з’явилися відмова від світлового ефіру і зміна традиційних (класичних) уявлень про абсолютний час і абсолютний простір, які ніяк не були пов’язані ні між собою, ні з матерією. Значить, ньютоновскую ідею незалежного існування простору і часу можна виразити так: якби матерія зникла, то залишилися б тільки простір і час. Говорячи ж про сутність створеної ним теорії, Ейнштейн писав: “Суть теорії відносності така: раніше вважали, що якщо якимось дивом всі матеріальні речі зникли б раптом, то простір і час залишились би. Згідно ж теорії відносності разом з речами зникли б і простір і час “1. Отже, теорія відносності найтіснішим чином пов’язана з вченням про простір і час.

Отже, виявляється, що принципи відносності і сталості швидкості світла суперечать один одному тільки до тих пір, поки зберігається постулат абсолютного часу, тобто абсолютний сенс одночасності. Останній означає, що значення часу мають сенс, незалежний від стану руху тіла відліку. Якщо ж допускається відносність часу, тобто залежність значення часу від стану руху тіла отсчета2, то обидва принципи виявляються сумісними.

Підбиваючи загальний підсумок з питання про виникнення СТО, можна сказати, що основна ідея цієї теорії полягала в твердженні, що всі інерціальні системи є рівноправними для формулювання законів природи. Інакше кажучи, в усіх інерційних системах закони природи виконуються однаково, тобто спостерігач не може вказати будь-які критерії, згідно з якими можна вирішити, знаходиться він в змозі рівномірного руху або в спокої. “Спокій” і “рівномірний рух” фізично рівноцінні.

Отже, СТО залишилася вірна основам класичної механіки, а саме: вона зберегла твердження, що закони природи справедливі тільки по відношенню до інерціальним системам. Це положення є загальним для спеціальної теорії відносності і механіки Ньютона. У своєму розвитку СТО використовувала як головної опори той факт, що при експериментах в земних умовах ми абсолютно не помічаємо того, що Земля зі значною швидкістю рухається навколо Сонця.

Однак геніальна інтуїція Ейнштейна підказувала йому, що закони природи єдині скрізь і всюди, вони не залежні від станів руху. Ця віра вченого в єдність світу і єдність його законів, прагнення до логічної простоті та єдності основ, передумов фізичної теорії стали основою його методологічної парадигми, ядро ​​якої утворює принцип “внутрішньої досконалості”, відомий в історії теоретичної думки більше як принцип “економії мислення”. Відповідно до цього методологічним принципом Ейнштейн вбачав витонченість, простоту, повноту, гідність наукової теорії, так само як і найважливішу мету науки, в її здатності допомогою найменшого числа гіпотез або аксіом логічно отримати дедуктивним шляхом максимум реальних результатів, тобто пояснити велику, максимальну предметну область. Керуючись цим принципом і своєю надзвичайною інтуїцією, Ейнштейн незабаром після формулювання в 1905 р спеціальної теорії відносності став шукати підстави для того, щоб поширити дію принципу відносності і на неінерційні системи, тобто системи, що рухаються з прискоренням. Через десять років він знайшов це підстава в принципі еквівалентності інертної і гравітаційної мас.

На принцип еквівалентності великого фізика наштовхнули відкритий Ньютоном закон всесвітнього тяжіння і його теорія руху мас. У світлі ньютонова теорій виявилося, що поряд з інертною масою тіло володіє масою гравітаційної, рівної кількісно першою. Однак класична механіка не давала ніякого пояснення рівності цих двох мас. Згідно Ейнштейну, науково обгрунтувати це рівність стало б можливим лише після доказу тотожності природи інерції і гравітації. А цього можна досягти тільки шляхом розширення предметної області застосування принципу відносності.

Спеціальна теорія відносності, як було показано вище, тісно пов’язана з законом інерції, але її, за словами Ейнштейна, “не можна пов’язати з гравітацією скільки-небудь природним чином” 1. Проте вже з часів Ньютона було відомо, що сила тяжіння володіє одним фундаментальним властивістю, що відрізняє її від електромагнітних сил, а саме: всі тіла падають в гравітаційному полі з однаковим прискоренням або, інакше кажучи, що тяжіє і інертна маси тіла кількісно рівні один одному. Це їх чисельну рівність і навело Ейнштейна на думку про тотожною природі інертної і гравітаційної масі. Як він сам зазначає, саме питання про можливість інерції і тяжіння бути тотожними привів його безпосередньо до загальної теорії відносності, що включає також і теорію тяжіння, яку Луї де Бройль назвав однією “з найкрасивіших і витончених фізичних теорій” 2.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5.00 out of 5)

Релятивістська програма А. Ейнштейна