В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879-1955) опубликовал статью "К электродинамике движущихся тел". В этой статье изложена теория, исключающая существование абсолютного тела отсчета и привилегированной системы координат для прямолинейного и равномерного движения. Теория Эйнштейна исключает абсолютное, независимое от пространственной системы отсчета время и отказывается от классического принципа сложения скоростей. Эйнштейн исходит из субстанционального постоянства скорости света, из того, что скорость света действительно одна и та же в различных, движущихся одна по отношению к другой системах. У Лоренца абсолютное движение тел приводит к изменению скорости света в этих телах, и, таким образом, обладает реальным физическим смыслом. Оно - это абсолютное движение - прячется от наблюдателя в силу сокращения продольных масштабов, затушевывающего оптический эффект абсолютного движения. У Эйнштейна абсолютное движение не прячется от наблюдателя, а просто не существует.
Если движение относительно эфира не вызывает никаких эффектов в движущихся телах, то оно является физически бессодержательным понятием.
Оптические процессы в теле не могут быть критерием его равномерного и прямолинейного движения. Равномерное и прямолинейное движение тела А не изменяет хода оптических процессов, оно имеет относительный смысл, должно быть отнесено к другому телу В и состоит оно в изменении расстояния между А и В.Мы можем с одним и тем же правом присвоить роль тела отсчета, т.е. приписать неподвижность как телу А, так и телу В; фраза "тело А движется относительно тела В" и "тело В движется относительно тела А" описывает одну и ту же ситуацию. Только такой смысл имеет равномерное и прямолинейное движение. Оно отнесено к конкретным телам; мы можем отнести движение тела А к различным телам отсчета, получить различные значения его скорости, и никакое абсолютное тело отсчета типа эфира не должно фигурировать в научной картине мира. Движение тел относительно эфира и, следовательно, движение эфира относительно тел не имеют физического смысла.
Тем самым из физической картины мира устраняется понятие единого времени, охватывающего всю Вселенную. Здесь Эйнштейн подошел к самым коренным проблемам науки - к проблемам пространства, времени и их связи друг с другом.
Если нет мирового эфира, то нельзя приписать некоторому телу неподвижность и на этом основании считать его началом неподвижной, в абсолютном смысле, привилегированной системы координат. Тогда нельзя говорить и об абсолютной одновременности событий, нельзя утверждать, что два события, одновременные в одной системе координат, будут одновременными и во всякой другой системе координат.
Вернемся к кораблю с экранами на корме и на носу и к набережной, на которой также установлены экраны. Когда вспышка фонаря одновременно осветила экраны, мы можем говорить, что освещение экрана на корме и на носу - одновременные события. В системе координат, связанной с кораблем, эти события действительно одновременны. Но мы не остановились на этой констатации и считали возможным говорить об одновременности в абсолютном смысле. Тот факт, что при движении корабля экраны освещаются не одновременно, нас не смущал, мы учитывали запаздывание света, догоняющего корабль, т.е. идущего от фонаря к экрану на носу. Мы всегда могли воспользоваться абсолютно неподвижной, связанной с эфиром системой отсчета и перейти от движущегося корабля к неподвижной набережной и убедиться, что в этой "неподвижной", "истинной", "абсолютной", "привилегированной" системе отсчета свет распространяется во все стороны с постоянной скоростью, а в других, движущихся, системах, он меняет скорость. До теории Эйнштейна слова "неподвижная", "привилегированная", "абсолютная" система отсчета не ставились в кавычки: все были убеждены в существовании внутреннего критерия движения - различия в ходе оптических процессов в неподвижных (в абсолютном смысле, относительно неподвижного мирового эфира) телах и в движущихся (также в абсолютном смысле) телах. Синхронизация часов казалась возможной даже в том случае, когда речь шла о часах, расположенных в двух системах, из которых одна движется относительно другой.
Когда корабль движется вдоль набережной, свет достигает экранов на корабле в различные моменты времени; но мы считали эти моменты различными потому, что видели экраны на набережной, отождествляли мгновения, когда свет попадает на эти неподвижные экраны, приписывали абсолютный характер одновременности, зарегистрированной в неподвижной системе отсчета. Теперь от всего этого приходится отказаться. С точки зрения теории относительности, находясь на корабле и не видя набережной, нельзя найти доказательства неодновременности освещения экранов на носу и на корме. Мы считали эти моменты неодновременными, потому что во время распространения света от фонаря к экранам корабль сдвинулся по отношению к набережной, а эту набережную мы признаем неподвижной в абсолютном смысле. Сверяя часы с помощью экранов на набережной, т,е, считая одновременными мгновения, когда свет достиг этих неподвижных экранов, мы, естественно, должны различать моменты, когда свет доходит до экранов на движущемся корабле. Но если движение корабля и неподвижность набережной не имеют абсолютного характера, мы можем таким же правом рассматривать корабль в качестве неподвижного тела отсчета. Тогда набережная движется, и на набережной свет достигает береговых экранов в различные моменты времени. Спор о том, какая система отсчета неподвижна в абсолютном смысле, беспредметен, если нет абсолютно покоящегося тела отсчета - мирового эфира. События, одновременные в одной системе отсчета, неодновременны в другой системе.
Если нет абсолютной одновременности, то нет абсолютного времени, протекающего единообразно во всех смещающихся одна относительно другой системах. Время зависит от движения.
Какова эта зависимость, как изменяется ход времени при переходе из одной системе к другой? Еще до появления работы Эйнштейна Лоренц утверждал, что при сокращении продольных масштабов в движущихся системах будет вместе с тем замедляться ход часов. Сокращение масштабов и замедление хода часов как раз и будет компенсировать изменение скорости света в движущихся системах. Поэтому замедление хода часов, как и сокращение масштабов, можно вычислить, исходя из постоянства скорости света.
У Эйнштейна сокращение продольных пространственных масштабов и замедление времени в движущихся системах имеет совсем другой смысл, чем у Лоренца. Время замедляется не по сравнению с "истинным", "абсолютным" временем, текущим в неподвижных относительно эфира, т.е. в абсолютно неподвижных, системах. Длина продольно движущегося стержня сокращается не по сравнению с некоторой "истинной" и "абсолютной" длиной стержня, покоящегося в эфире. С точки зрения Эйнштейна, сокращение масштабов (как и замедление времени) взаимно. Если система К' движется относительно системы К, то с таким же правом можно сказать, что система К движется относительно системы К' . Длина стержня, измеренная в системе К, относительно которой он покоится, окажется меньше, если ее измерить в системе К' . Но, в свою очередь, стержень, покоящийся в системе К' , окажется короче при измерении в системе К. Речь идет о вполне реальном измерении длины, но понятие "реальное измерение" не означает существование неизменной абсолютной "привилегированной" длины.Причиной лоренцова сокращения служит реальный процесс взаимного движения систем - процесс, в котором обе системы играют совершенно равноценную роль. Лоренцово представление о реальном сокращении длины стержня по сравнению с неизменной, "истинной" длиной стержня, покоящегося в абсолютном смысле, - это более "классическое", но вовсе не более естественное представление, чем представление Эйнштейна о взаимном сокращении масштабов в системах, движущихся одна по отношению к другой. Взаимное перемещение тел, изменение их взаимных расстояний легче представить себе, чем абсолютное движение, отнесенное к пустому пространству либо к однородному эфиру.
Идеи, высказанные Эйнштейном в 1905 году, уже в ближайшие годы заинтересовали очень широкие круги. Люди чувствовали, что теория, с такой смелостью посягнувшая на традиционные представления о пространстве и времени, не может не привести при своем развитии и применении к очень глубоким производственно-техническим и культурным сдвигам. Разумеется, только теперь стал ясен путь от абстрактных рассуждений о пространстве и времени к представлению о колоссальных запасах энергии, таящихся в недрах вещества и ждущих своего освобождения, чтобы изменить облик производственной техники и культуры. Попытаемся несколькими штрихами обрисовать этот путь, хотя две-три фразы не могут дать представления о цепи глубоких и сложных математических построений, о многократном пересмотре самых, казалось бы, очевидных и прочных концепций классической физики.
Эйнштейн вывел из постоянства скорости света в движущихся телах невозможность для этих тел превысить скорость света. Тем самым из картины мира исключаются мгновенные, распространяющиеся с бесконечной скоростью, воздействия одного физического объекта на другой. Исключаются также воздействия, распространяющиеся с конечной скоростью, превышающей скорость света. Два события могут быть связаны друг с другом причинной связью, одно событие может быть причиной второго, если время, прошедшее между событиями, не меньше времени, необходимого свету, чтобы пройти расстояние между точками, где произошли эти события. Такое представление о причинной связи между событиями можно назвать релятивистским, в отличие от классического представления, допускавшего, что событие в одной точке может повлиять на событие в другой точке при сколь угодно малом промежутке времени между событиями.
Сопоставляя релятивистскую причинность с классической, можно увидеть некоторую существенную для истории науки связь между механической картиной мира и ее релятивистским обобщением. Причинная связь между двумя событиями в отдаленных точкаха1 и а2 состоит в том, что событие в точке а1 вызывает отправление некоторого сигнала, который, прибыв в точку а2 , вызывает здесь второе событие. Первым событием может быть, например, выстрел, а вторым - попадание снаряда в цель. Причинная связь состоит в движении снаряда, играющего в этом примере роль сигнала. Бесконечная скорость сигнала означала бы, что причина (отправление передающего воздействия сигнала из а1 ) и следствие (его приход в а2 ) возникают одновременно. Следовательно, причинная связь может быть представлена в чисто пространственном аспекте. Чтобы придать понятию причинной связи пространственно-временной вид, нужно найти предел скоростей, и он был найден в постоянной скорости распространения электромагнитного поля.
Обобщение, о котором идет речь, связано с новой трактовкой условий тождественности движущегося объекта. Тождественным себе может быть объект, движение которого подчинено условию: расстояние между точками а1 и а2 пребывания тела в моменты t1 и t2 не должно быть больше, чем скорость света, умноженная наt1 -t2 . Если это условие не соблюдено, то перед нами не движущийся тождественный себе объект, а различные нетождественные объекты.
Обратимся теперь к динамическим выводам из существования границы механических скоростей.
Если тело движется со скоростью, близкой к скорости света, и на него начинает действовать дополнительная сила, то ускорение не может быть таким, чтобы тело достигло скорости, превышающей скорость света. Чем ближе к скорости света, тем больше тело сопротивляется силе, тем меньшее ускорение вызывает одна и та же приложенная к телу сила. Сопротивление тела ускорению, т.е. масса тела, растет со скоростью и стремится к бесконечности, когда скорость тела приближается к скорости света. Таким образом, масса тела зависит от скорости его движения, она растет при растет при возрастании скорости и пропорциональна энергии движения. Что касается массы покоящегося тела, она связана определенным отношением с внутренней энергией - энергией покоящегося тела. Эта энергия равна массе покоя, умноженной на квадрат скорости света. Если энергия движения тела переходит в его внутреннюю энергию (например, тепловую энергию или энергию химических связей), от соответственно возрастанию энергии возрастает масса покоя.
Но масса покоя отнюдь не равна сумме заключенной в теле тепловой, химической и электрической энергии, деленной на квадрат скорости света. Этой сумме соответствует очень небольшая часть всей энергии покоя. Переход энергии движения двух тел в энергию покоя, например при неупругом соударении этих тел, увеличивает энергию на ничтожную величину по сравнению со всей энергией покоя. В свою очередь переход теплоты в энергию движения тел уменьшает энергию покоя (и массу покоя) на ничтожную долю. Тело с температурой, равной абсолютному нулю, с нулевой химической и электрической энергией обладало бы энергией покоя и массой покоя, лишь в ничтожной мере уменьшившимися по сравнению с телом обычной температуры и с обычными запасами химической и электрической энергии.
До середины нашего столетия во всех областях техники использовали лишь подобные ничтожные изменения энергии покоя и массы покоя тел. Сейчас появились практически применяемые реакции, при которых затрачивается или пополняется основной массив заключенной в веществе энергии покоя.
В современной физике существует представление о полном переходе энергии покоя в энергию движения, т.е. о превращении частицы, обладающей массой покоя, в частицу с нулевой массой покоя и очень большой энергией движения и массой движения. Такие переходы наблюдаются в природе. До практического применения подобных процессов еще далеко. Сейчас используются процессы, освобождающие внутреннюю энергию атомных ядер. Атомная энергетика оказалась решающим экспериментальным и практическим доказательством теории относительности Эйнштейна.
Разумеется в 1905 г., когда была опубликована первая статья Эйнштейна о теории относительности, никто не мог предвидеть конкретных путей научно-технической революции, призванной воплотить в жизнь новое учение о пространстве, времени и движении. В теории относительности видели поразительно глубокое, стройное и смелое обобщение и истолкование уже известных экспериментальных данных, прежде всего фактов, свидетельствующих о постоянстве скорости света, о ее независимости от прямолинейного и равномерного движения системы, через которую проходит световой луч.
Вместе с тем ученые понимали, что, отвергнув, казалось бы очевидное, классическое понятие одновременности, отказавшись от не менее очевидного классического правила сложения скоростей, допуская и обсуждая парадоксальные, на первый взгляд, выводы, физика овладевает очень мощным оружием.
Покинув пристань ньютоновской механики, бросив вызов "очевидности", не ограничивая отныне свои пути традиционным фарватером, наука может открыть новые берега. Какие плоды зреют на этих берегах, что получит практика от новых теоретических обобщений, тогда еще не знали. Существовала лишь, как уже было сказано, интуитивная уверенность, что смелости и широте новых идей должны соответствовать некоторые коренные технические культурные сдвиги.
Как бы то ни было, дело было сделано. В науку были пущены идеи, которым предстояло революционизировать учение о космосе и микромире, учение о движении и энергии, представление о пространстве и времени, а впоследствии стать основой атомной энергетики. Эти идеи стали жить своей жизнью.
В 1907-1908 гг. Герман Миньковский (1864 - 1908) придал теории относительности весьма стройную и важную для последующего обобщения геометрическую форму. В статье "Принцип относительности" (1907) и в докладе "Пространство и время" (1908) теория Эйнштейна была сформулирована в виде учения об инвариантах четырехмерной евклидовой геометрии. У нас нет сейчас ни возможности, ни необходимости давать сколько-нибудь строгое определение инварианта и присоединить что-нибудь новое к тому, что уже было о нем сказано. Понятие многомерного пространства, в частности четырехмерного пространства, также не требует здесь строгого определения; можно ограничиться самыми краткими пояснениями.
Ранее уже говорилось, что положение точки на плоскости может быть задано двумя числами, измеряющими длины перпендикуляров, опущенных на оси некоторой координатной системы. Если перейти к иной системе отсчета, координаты каждой точки изменятся,но расстояние между точками при таком координатном преобразовании не изменятся. Инвариантность расстояний при координатных преобразованиях может быть показана не только в геометрии на плоскости, но и в трехмерной геометрии. При движении геометрической фигуры в пространстве координаты точек меняются, а расстояния между ними остаются неизменными. Как уже было сказано, существование инвариантов координатных преобразований можно назвать равноправностью систем отсчета, равноценностью точек, в каждой можно поместить начало координатной системы, причем переход от одной системы к другой не сказывается на расстояниях между точками. Подобная равноценность точек пространства называется его однородностью. В сохранении формы тел и соблюдении неизменных законов их взаимодействия при преобразованиях выражается однородность пространства. Однако при очень больших скоростях, близких к скорости света, становится очень существенной зависимость расстояния между точками от движения системы отсчета. Если одна система отсчета движется по отношению к другой, то длина стержня, покоящегося в одной системе, окажется уменьшенной при измерении ее в другой системе. В теории Эйнштейна пространственные расстояния (как и промежутки времени) меняются при переходе от одной системы отсчета к другой, движцщейся относительно первой. Неизменной
10-09-2015, 22:57