Основные положения концептуальных теорий современного естествознания
Теория производит тем больше впечатление, чей проще ее посылки, чем различнее явления, между которыми она устанавливает связь, чем обширнее область ее применения.
А. Эйнштейн
К важнейшим естественнонаучным теориям современности относят прежде всего теорию относительности и квантовую механику, которые определяют главные направления развития науки о Природе в целом и составляют фундамент современной естественнонаучной картины мира.
Трудность их восприятия и понимания состоит в том, что эти теории коренным образом ломают наши обыденные представления об окружающем мире, не допускают применения простых, и наглядных моделей. Однако истинное величие науки и состоит в возможности правильного описания явления без создания его наглядного мысленного образа.
Глава 3. Теория относительности
Предпосылки создания специальной теории относительности
Теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства и времени. Ее называют также релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией - релятивистскими эффектами. В классической, ньютоновской механике пространство и время выступали в качестве двух несвязанных форм существования материи, независимых характеристик объектов и событий и считались абсолютными. Абсолютное пространство мыслилось как неподвижное и одинаковое вместилище тел, а абсолютное время - как текущее равномерно, безотносительно к происходящим событиям. Считалось, что тела и их движение не влияют на течение времени и свойства пространства. Из этой точки зрения следовало признание возможности мгновенной передачи взаимодействия между телами. Классическая механика, как представлялось, правильно описывала механические явления; во всех инерциальных системах отсчета эти явления протекают одинаково (в этом заключается принцип относительности Галилея). Классические представление о пространстве и времени прекрасно согласуются с нашим повседневным опытом.
В то же время в связи с созданием классической электродинамики (см. гл. 2) возник ряд противоречий. Суть этих противоречий сводится к следующему. В уравнения Максвелла существенным образом входит некая абсолютная скорость - скорость света в вакууме. Распространение электромагнитной волны с большей скоростью невозможно. Это положение неприемлемо для классической механики, «позволяющей» сколь угодно большие скорости движения и мгновенное распространение взаимодействия. Предполагалось, также, что электромагнитные волны распространяются в специальной невесомой среде - эфире. Если выбрать эфир в качестве абсолютной системы отсчета, то согласно классической механике, скорость света в некоторой инерциальной системе, движущейся относительно эфира, должна.мяться сумме скорости света в эфире и скорости инерциальной системы относительно эфира, т. е. скорость света должна быть различной в разных инерциальных системах. Так, предполагая наличие вокруг Земли неподвижного эфира, можно было попытаться зафиксировать движение Земли относительно этого эфира (так называемый «эфирный ветер»).
Идея такого эксперимента состояла в том, что если Земля движется относительно неподвижного эфира, то луч посланный с Земли в направлении движения, будет иметь меньшую скорость относительно Земли, чем луч, посланный в противоположном направлении (рис. 3.1).
Рис. 3.1.
Такой эксперимент был проведен (опыт Майкельсона-Морли, 1887 г.) и дал отрицательный результат. Скорость света плюс скорость Земли при обращении вокруг Солнца (v ~ 30 км/с) оказалась равной разности этих скоростей; отсюда следовало постоянство скорости света в различных системах отсчета.
В то же время уравнения Максвелла не согласовались с принципом относительности Галилея. Получалось, что электромагнитные явления должны протекать неодинаково в разных инерциальных системах. В 1892 г. Лоренц, пытаясь объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли и согласовать противоречивые гипотезы, выдвинул предположение о сокращении размеров тел, движущихся со скоростью v, в направлении их движения в
раз, а позднее разработал на базе этой гипотезы стройную теорию - электродинамику движущихся сред. В частности, Лоренцем были выведены новые формулы для преобразования координат и времени при переходе из одной инерциальной системы в другую — преобразования Лоренца. Эти преобразования, приложенные к уравнениям Максвелла, позволяли одинаково записывать их в любых инерциальных системах отсчета. Важнейшим недостатком этой теории был отказ от принципа относительности, поскольку вводилось физическое неравнопра-
особой, абсолютно неподвижной системы отсчета. К тому же преобразования Лоренца изменяли вид уравнений классической механики.