Проблемы пространства и времени на различных этапах естествознания (стр. 3 )

После выхода в свет "Математических начал натуральной философии" Ньютона, физика начала активно развиваться, причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света вновь возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства.

Проблема пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие. Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физики, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давней ей естественнонаучное обоснование.

IV.  Период неклассического естествознания

1)  Специальная теория относительности

Специальная теория относительности, созданная в начале XX в. усилиями ряда ученых – Лренца, Фицджеральда, Лармора, Пуанкаре, Минковского, и, конечно же, А. Эйнштейна, стала результатом обобщения и синтеза классической механики и электродинамики. «Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем»[3]

На протяжении долгих веков человеческой истории считалось, что мировое пространство заполнено эфиром. Представления об эфире - одна из самых известных физических моделей колебательных процессов. Идея состояла в том, что межзвездное пространство заполнено какой-то невидимой и неосязаемой тонкой субстанцией, которая передавала «толчок» действия из одной точки в другую.

В физике сложилось три различных интерпретации характера взаимодействия вещества и эфира.

Т. Юнг в начале XIX в., отметил, что явление аберрации света может быть объяснено волновой теорией света, если предположить, что эфир повсюду, в том числе и внутри движущихся тел, остается неподвижным. В этом случае явление аберрации объясняется, как и в корпускулярной теории света.

Английский физик Дж. Г. Стокc в 1846 г., объясняя свою теорию абберации, исходил из предположения, что Земля при своем движении полностью увлекает окружающий ее эфир и скорость эфира на поверхности Земли в точности равна ее скорости. А последующие слои эфира движутся все медленнее и медленнее, и это обстоятельство и вызывает искривление волнового фронта, что и воспринимается как аберрация. Из этой теории следует, что в любых оптических опытах, проведенных на Земле, не может быть обнаружена скорость ее движения.

Существовала и третья точка зрения, принадлежавшая Френелю. Он предположил, что эфир частично увлекается движущимися телами. Френель показал также, что коэффициент увлечения имеет порядок (v/c)2, а значит, опытная проверка этой идеи требует высокой точности исследований.

Принципиальная сторона вопроса сводилась в сущности к двум возможным гипотетическим допущениям. Первое допущение состояло в том, что эфир полностью увлекается движущейся системой, второе – в том, что движущаяся система проходит через эфир, не захватывая его.

Оба допущения были опровергнуты экспериментально. Ряд опытов, поставленых в XIX в., показал, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо от того, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того, как он движется. Таким образом, первое допущение позволяло придерживаться принципа относительности, но при этом противоречило опыту.

Касаемо второго допущения, наиболее известным экспериментом стал опыт Майкельсона-Морли.

В 1887 году два американских физика — Альберт Майкельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор.

Майкельсон и Морли соорудили конструкцию: в большой чаше с ртутью плавает бетонная плита, на которой смонтирована установка, состоящая из источника света, плоскопараллельной пластины и двух зеркал. Данная установка имела название интерферометр — оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их; аналогичная технология сегодня используется в зеркальных фотоаппаратах). В итоге луч расщепляется и два получившихся луча расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных от полупрозрачного зеркала зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей.

Результаты эксперимента Майкельсона оказались отрицательными. На поверхности Земли свет движется с одной и той же скоростью во всех направлениях, а значит это, что гипотеза о том, что движущаяся система сквозь эфир проходит и не захватывает его, несостоятельна.

Такой вывод казался крайне парадоксальным. Он должен был привести к принципиальному отказу от классического правила сложения скоростей. Скорость света одна и та же во всех телах, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно. Свет проходит с неизменной скоростью, приблизительно равной 300000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет.

Это - иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета. Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Всю совокупность результатов в области электродинамики движущихся тел в начале века можно было объяснить на базе преобразований Лоренца, которые были получены в 1904 году как преобразования, по отношению к которым уравнения классической микроскопической электродинамики сохраняют свой вид.

Лоренц и Пуанкаре интерпретировали эти преобразования как результат сжимания тел постоянным давлением эфира, т. е. динамически в рамках классических представлений о пространстве и времени.

Эйнштейн интерпретировал преобразования Лоренца кинетически, т. е. как характеризующие свойства движения в пространстве и времени, тем самым заложив основы теории относительности. Он снял проблему эфира, упразднив его, радикально изменил классические представления о пространстве и времени.

Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (от латинского - относительный) и проявляются при скоростях, близких к скорости света в вакууме (эти скорости тоже принято называть релятивистскими).

Со скоростью света тесно связано решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения.

Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: «Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной»[4].

Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией. В подходе Эйнштейна пространству и времени придаются новые свойства: относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени.

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 отсчета, с помощью которой проводилось их измерение. Они приобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительные величины, например скорость, траектория и т. п.

В 1908 г. математический аппарат специальной теории относительности был разработан Г. Минковским. С математической точки зрения, специальная теория относительности есть геометрия плоского четырехмерного пространства — времени Минковского.