150191 (Галилей: основание современной науки), страница 2

Непреходящей заслугой гения Эйнштейна было то, что он, исходя из глубоко философских соображений, поставил во главу угла принцип единства физики и добился согласия между механикой и теорией электромагнетизма. Он произвел последовательное обобщение принципа относительности Галилея и пришел к специальному принципу относительности Эйнштейна: «В двух движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчета законы природы имеют один и тот же вид».

Если сравнить эту формулировку с выражением принципа относительности Галилея, обнаруживается то существенное различие, что принцип относительности Галилея относится только к механике, тогда как эйнштейновский принцип охватывает всю физику (исключая лишь гравитацию).

Зададимся вопросом, какие эпистемологические предположения должен был привлечь Эйнштейн для того, чтобы непротиворечиво реализовать свой принцип относительности. Об этом и пойдет теперь речь.

Эйнштейн подверг основательной критике ньютоновские концепции абсолютного пространства и абсолютного времени и пришел к выводу, что сами по себе пространство и время суть относительные категории, собственно же предметом и основой физического исследования является четырехмерный пространственно-временной континуум. Тем самым был сделан переход от 3-мерного к 4-мерному мышлению. Пассивной ареной, на которой протекают физические явления, стало пространство-время. При этом его геометрия постулировалась как псевдоевклидова, т.е. плоская, и пространство-время рассматривалось как предельно лишенное структуры и бесконечно протяженное. Пока что принципиально новым моментом по сравнению с ньютоновским пространством был переход от трехмерности к четырехмерности. В теории Ньютона абсолютное время играло роль абсолютного стандарта для всего мира, что находило свое отражение в уравнениях физики в том, что время было самостоятельным параметром. Напротив, эйнштейновская релятивизация времени и его объединение с пространством привели к равноправию пространства и времени. В дальнейшем оба понятия должны были фигурировать в законах природы симметричным образом.

Эта фундаментальная идея должна была математически выражаться в том, что каждой системе отсчета следовало приписать свое собственное относительное время. Тем самым был получен ответ и на вопрос о противоречии, возникшем в результате опыта Майкельсона.

В своей знаменитой работе 1905 года «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейну удалось вывести названные им в честь Лоренца преобразования, которые описывают переход от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Когда относительная скорость систем отсчета мала, (и/с)² «1, преобразования Лоренца принимают вид

х' = х — ut, y' = y,z '= z, t' = t,

а это и есть преобразования Галилея, записанные через свои компоненты. Тем самым была обеспечена необходимая преемственность между физикой Эйнштейна и физикой Ньютона, причем в случае больших скоростей и высоких энергий последняя вырождается в слишком грубое приближение действительности.

Этот схематический набросок специальной теории относительности приводит нас и к кругу основных идей общей теории относительности [7]. Специальный принцип относительности Эйнштейна, подобно принципу относительности Галилея, ограничивается использованием инерциальных систем отсчета, т. е. систем, находящихся в состоянии равномерного движения. В течение почти 10 лет Эйнштейн работал над тем, чтобы снять это ограничение. В результате в 1915 году ему удалось создать свою общую теорию относительности, справедливую при любых типах движения систем отсчета. Ее сущность формулируется в общем принципе относительности Эйнштейна:

«Законы природы имеют один и тот же вид в произвольных системах обсчета».

Так Эйнштейн освободился от понятия инерциальной системы отсчета.

Математическим аппаратом, позволяющим конкретно выразить эту всеобъемлющую теорию, является тензорное и спинорное исчисление.

Применение общего принципа относительности к механике и теории электромагнетизма не принесло Эйнштейну особых неожиданностей. Однако обобщение ньютоновской теории тяготения привело к открытию совершенно новых фактов о структуре пространства и времени.

Эйнштейн пришел индуктивным путем к заключению, что реальное пространство-время может быть не псевдоевклидовым, т. е. плоским, но искривленным в соответствии с законами римановой геометрии. Он исходил из тех соображений, что пассивная роль пространства-времени в специальной теории относительности не может давать полного выражения сущности пространства-времени как атрибута материи, но что структура пространства-времени должна быть сама следствием состояния движения материи, и обратно, состояние движения материи должно обусловливаться структурой пространства-времени. Эту обоюдную взаимосвязь он сумел математически выразить в своих знаменитых уравнениях гравитационного поля.

Для слабо искривленного пространства-времени, существующего в наших земных условиях, уравнения поля Эйнштейна переходит в указанное выше уравнение поля Ньютона. Тем самым преемственность сменяющих друг друга физических теорий обеспечивается и в этой области.

Теория относительности лежит в основе всех разделов физики, так как их основные постулаты должны быть, в конечном счете, согласованы между собой. Большой успех был достигнут и в квантовой теории, когда Дирак сумел дать ее релятивистскую формулировку.

Особой областью приложения эйнштейновской теории является релятивистская космология, из которой мы черпаем сведения о структуре Вселенной как целого.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Галилео Галилей сделал много изумительно ценного для физики и тем самым для всего естествознания, когда оно вырвалось из лабиринта схоластических заблуждений духа; он проложил путь научному методу органической связи эксперимента и – хотя еще органической – теории. И что бы ни говорили о дурных сторонах характера Галилея или еще могли бы сказать о них, он все равно остается удивительной личностью.

Бросая сегодня ретроспективный взгляд на физику, мы видим, что современность связывает с эпохой Средних веков цепь идей, в которой сверкают поистине бриллианты. Благодаря гению Галилея, Ньютона, Эйнштейна и многих других наука стала плодом цивилизации, находящимся на службе всего человечества.

Список использованной литературы

1. Воронов В.К., Гречнева М.В., Сагдеев Р.З. Основы современного естествознания: Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1999. – 247 с.

2. Горелов А.А Концепчии современного естествознания. – М.: Центр, 1997. 360 с.

3. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для ВУЗов. – Ростов н/Д: Феникс, 2000. – 576 с.

4. Кузнецов Б.Г. От Галилея до Эйнштейна. – М.: Наука, 1965. -185 с.

5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. М.: Гардарики, 2003. – 476 с.

6. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учебник для ВУЗов. – М.: Владос. 2001. – 232 с.

7. Шмутцер Э. Теория относительности – современное представление. Путь к единству физики. – М.: Мир, 1981. – 159 с.

8. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: 1965