6. Создание теории относительности (ТО)
Со специальной теории относительности (СТО) начинается отсчет «неклассического» периода в физике. Ее появление вызвало сильнейшее потрясение в умах не только физиков. Она стала достоянием культуры новейшего времени и типичным представителем последней. При этом в культуре ХХ в. за ней, как и за общей теорией относительности (ОТО) и квантовой механикой, закрепился статус недоступности для простых смертных, она рассматривается как достояние узкого слоя жрецов в лице физиков-теоретиков, непосредственно занимающихся этим предметом. Такое отношение послужило благодатной почвой для возникновения многочисленных мифов, распространяющихся в общественном сознании. Попробуем разобраться в этих вопросах.
6.1. Специальная теория относительности (СТО)
Победа электромагнитной теории Максвелла, исходившей из программы альтернативной ньютонианской, привела к кризису господствовавшего до тех пор в среде физиков ньютонианского взгляда на мир. Согласно одному из основополагающих положений последнего «всякое физическое явление можно считать изученным только тогда, когда построена его механическая модель». С механической же моделью максвелловского электромагнитного поля – эфиром дело обстояло плохо. Следствием этого стал критический анализ оснований классической механики, возникли вопросы «что такое сила?», «что такое масса?», а вместе с ними и альтернативные механики без этих понятий. С новой энергией и аргументацией возродился спор XVII в. между Ньютоном и Лейбницем о существовании абсолютного пространства и времени. В физике разразился «гносеологический кризис», который по своему духу вполне отвечал атмосфере «конца века» [Сарабьянов]. Центральное место в этих жарких спорах принадлежит Эрнсту Маху (гл. 11).
На этом фоне вызревал исходный парадокс – противоречие между максвелловской электродинамикой и классической механикой как физическими теориями. Это противоречие сконденсировалось вокруг принципа относительности.
Со времен Галилея существовал принцип относительности как принцип эквивалентности механических явлений во всех инерциальных (т. е. движущихся прямолинейно и равномерно) системах отсчета (например вагон поезда, движущийся без ускорения). В силу этого принципа механические явления не дают возможности наблюдателю, находящемуся в какой- либо из этих систем выделить некое абсолютное движение, т. е. Определить, какая из двух систем отсчета (например, вагон вашего или соседнего поезда) движется «на самом деле».
Математическим выражением этого принципа относительности была инвариантность (неизменность) уравнений движения Ньютона по отношению к преобразованиям Галилея: x'=x+Vt; y'=y, z'=z, t'=t, v'=v+V, где V – скорость движения «штрихованной» системы отсчета O'x'y'z' (вагон), движущейся вдоль оси Ох «нештрихованной» системы Oxyz (перрон) с постоянной скоростью V (рис. 6.1).
Электромагнитная теория Максвелла нарушала эту идиллию. «В уравнения Максвелла входит характерная скорость «c» – скорость света. Поэтому они неинвариантны относительно преобразований Галилея (в этом легко убедиться непосредственной подстановкой вместо скорости света «с» суммы «с+V» в уравнения Максвелла)» [Левич, т. I, с. 208].
Но уравнения Максвелла оказываются инвариантными относительно преобразования Лоренца. Из него следует, что при переходе из «нештрихованной» системы отсчета О в «штрихованную» систему отсчета O' длина отрезков ∆L укорачивается (∆L=∆L'γ, γ = (1– V2/c2)1/2) вдоль движения (шарик сплющивается в блин), а интервалы времени удлиняются (∆t=∆t'/γ).
Специальная теория относительности рождалась из преодоления указанного теоретического противоречия15, путь разрешения которого зависел от выбора ответов на вопросы: 1) обобщать или нет принцип относительности на электромагнитные явления; 2) если обобщать, то как. На первый вопрос все физики отвечали положительно. Что касается второго вопроса, то Эйнштейн (1879–1955) решил менять процедуры измерения, в то время, как Лоренц (1853–1928) и Пуанкаре (1854–1912), которых в начале века, наряду с Эйнштейном, относили к отцам СТО, пытались решить эту проблему посредством сложного взаимодействия эфира с движущимися телами.
Этот выбор лежал в основе знаменитой статьи Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» (1905), где специальная (частная) теория относительности (СТО) была сформулирована почти в полном виде. В основе его СТО лежали два постулата.
1. Все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. «Для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы одни и те же электродинамические и оптические законы».
2. Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета.
Вытекающее из первого постулата изменение законов (уравнений) движения приводит к динамическим эффектам во главе со знаменитой формулой Эйнштейна E = mvc2, где mv = m0 (1– v2/c2)-1/2, v – скорость частицы, m0 – так называемая масса покоя, т. е. масса при v = 016. Эта формула утвердила эквивалентность массы и энергии и стала основой теоретических оценок энергии выделяемой при термоядерных реакциях.
Конец ознакомительного фрагмента.