Аномалия — электронная библиотека
100 великих научных открытий
Специальная теория относительности
В 1905 году в немецком научном журнале «Аннален дер физик» появилась небольшая статья объемом 30 печатных страниц двадцатишестилетнего Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой почти полностью была изложена специальная теория относительности, сделавшая вскоре молодого эксперта патентного бюро знаменитым. В этом же году в том же журнале появилась статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», дополняющая первую.
Специальная теория относительности появилась не на пустом месте, она выросла из решения электродинамической проблемы движущихся тел, над которой начиная с середины XIX века работали многие физики. Они стремились обнаружить существование эфира-среды, в которой распространялись электромагнитные волны. Предполагалось, что эфир проникает через все тела, но в их движении участия не принимает. Строились различные модели светоносного эфира, выдвигались гипотезы относительно его свойств. Казалось, что неподвижный эфир мог служить той абсолютно покоящейся системой отсчета, относительно которой еще Ньютон рассматривал «истинные» движения тел. Согласно воззрению Ньютона, существуют во Вселенной «нормальные часы», которые отсчитывают ход «абсолютного времени» с любой точки. Кроме того, существует «абсолютное движение», т.е. «перемещение тела из одного абсолютного места в другое абсолютное место». В течение двухсот лет принципы Ньютона считались верными и незыблемыми. Ни один физик не подвергал их сомнению.
Первым, кто начал открыто критиковать принципы Ньютона, был Эрнст Мах. Он начал свою научную карьеру на кафедре экспериментальной физики, имел в Австрии свою лабораторию. Мах проводил эксперименты со звуковыми волнами, изучал явление инерции. Мах пытался опровергнуть понятия «абсолютное пространство», «абсолютное движение», «абсолютное время». Эйнштейн был знаком с работами Маха, и это знакомство сыграло не последнюю роль в его работе над теорией относительности.
В экспериментальной физике ньютоновские догмы также были поставлены под сомнение. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца. В свою очередь, Солнечная система летит в мировом пространстве. Следовательно, если световой эфир покоится в «абсолютном
пространстве», а небесные тела проходят через него, то их движение по отношению к эфиру должно вызывать заметный «эфирный ветер», который можно было бы обнаружить с помощью чувствительных оптических приборов.
Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 году американцем Альбертом Майкельсоном по идее, высказанной за 12 лет до этого Максвеллом. Майкельсон рассуждал следующим образом: если земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный эфир, тогда луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет отнесен назад «эфирным ветром», который дует навстречу движению Земли. «Эфирный ветер» должен возникать только благодаря перемещению Земли относительно эфира.
Первая экспериментальная установка была построена и испытана Майкельсоном в Берлине, все приборы были смонтированы на каменной плите и могли поворачиваться как одно целое. Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии близкого друга и сотрудника Майкельсона Эдуарда Морлея. Учеными был создан зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый «эфирный ветер». Результаты всех опытов, проведенных и в 1881 и в 1887 годах, отрицали существование какого бы ни было «эфирного ветра». Опыт Майкельсона и на сегодняшний день можно считать одним из самых знаменитых и выдающихся в истории физики. По словам самого Эйнштейна, он имел огромное значение для рождения теории относительности.
Но не все физики были согласны с тем, что эфир не существует и что принципы Ньютона должны быть не только поставлены под сомнение, но и отброшены навсегда. Голландский физик Хендрик Лоренц в 1895 году попытался «спасти» эфир. Он высказал предположение о том, что быстро движущиеся тела испытывают сокращение. Еще до Лоренца в 1891 году ирландский физик Джордж Фицджеральд сделал подобное предположение, о котором Лоренц не знал. Лоренц и Фицджеральд писали о том, что все предметы «под давлением» эфира сплющиваются, укорачиваются. Укорачивается и плита, на которой расположены все приборы, и сами приборы. Укорачивается и земной шар, и люди, находящиеся на его поверхности, причем величина всех этих укорочений и сплющиваний равна такой величине, чтобы уравновесить действие «эфирного ветра». Ученые вводили также поправку на время распространения «эфирного ветра». Эти идеи были лишь предположениями, почти ничем не подкрепленными.
Осенью 1904 года Анри Пуанкаре также попытался «спасти» абсолютно неподвижный эфир. Он попытался вычисления Лоренца оформить в виде более-менее стройной теории, но «теория» эта была лишь формальностью. Величайшие умы загрустили, казалось, выхода из создавшейся ситуации нет. Но выход был найден Альбертом Эйнштейном, он вывел физику из тупика и направил ее в новое русло.
Еще во время учебы в школе в Аарау Эйнштейн частенько проводил мысленный эксперимент: что мог бы видеть человек, движущийся за световой волной со скоростью света. Именно этот вопрос послужил началом размышлений над тем, что впоследствии было названо теорией относительности.
О начале своих рассуждений Эйнштейн писал так: «Необходимо было составить себе ясное представление о том, что означают в физике пространственные координаты и время некоторого события». Эйнштейн начал с изучения понятия одновременности. Так, ньютоновская механика утверждает, что в принципе возможно распространение взаимодействий (т.е. передача сигналов, информации) с бесконечной скоростью. А согласно теории Эйнштейна, скорость света, представляющая собой максимальную скорость передачи сигналов, все же конечна и притом имеет одну и ту же величину для всех наблюдателей триста тысяч километров в секунду.
Поэтому понятие «абсолютной одновременности» лишено всякого физического смысла и не может применяться. Эйнштейн приходит к выводу, что одновременность пространственно разделенных событий относитедьна. Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов. Правда, представить себе это наглядно мы не можем, так как скорость света намного больше тех скоростей, с которыми движемся мы.
Если невозможна «абсолютная одновременность», то не может существовать и «абсолютное время», одинаковое во всех системах отсчета. Представление об «абсолютном времени», которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от материи и ее движения, оказывается неправильным.
Каждая система отсчета имеет свое собственное «локальное время». Учение Эйнштейна о времени было совершенно новым шагом в науке. «Абсолютное время» было отброшено, а так как время и движение теснейшим образом связаны между собой, то возникла необходимость устранить ньютоновское понятие «абсолютного движения». Это Эйнштейном и было сделано.
Первый и главный постулат теории Эйнштейна — принцип относительности — гласит, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Таким образом, принцип относительности классической механики экстрополируется на все процессы в природе, в том числе и электромагнитные. Если же необходим переход от одной системы отсчета к другой, то надо воспользоваться преобразованиями Лоренца. Эти уравнения Эйнштейн назвал так в знак глубокого уважения к трудам своего предшественника. Эйнштейн в своей теории относительности заменил световой эфир электромагнитным полем. Многие ученые очень болезненно отнеслись к такому повороту, они никак не могли смириться с тем, что эфира не существует. Даже великий голландец Лоренц до самой смерти верил в существование эфира.
Второй постулат Эйнштейна гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала. Скорость света — это верхний предел для всех процессов, протекающих в природе. Скорость света — предельная скорость, ни один из процессов в природе не может иметь скорость, большую, чем скорость света.
Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых парадокса или следствия: относительность расстояний и относительность промежутков времени.
Относительность расстояний заключается в том, что расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета. Размеры быстродвижущихся тел сокращаются по сравнению с длиной покоящихся тел. При приближении скорости тела к скорости света его размеры будут приближаться к нулю! Нечто похожее высказывал и Лоренц, пытаясь «спасти» эфир в опыте Майкельсона.
Относительность промежутков времени заключается в замедлении хода часов в быстродвижущейся системе по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета относительно первой.
Эффекты, описанные выше, физики называют релятивистскими, т.е. они наблюдаются при скоростях движения, близких к скорости света.
Что же произойдет, если на самом деле попытаться ускорить материальное тело до скоростей, близких к скорости света?
Теория относительности утверждает эквивалентность массы и энергии в соответствии с теперь уже знаменитой формулой, которую словами можно выразить так: «Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света».
Вначале увеличение энергии тела сопровождается едва уловимым увеличением массы и, следовательно, инерции тела. Поэтому становится чуть-чуть труднее ускорить его дальше. По мере приближения скорости к скорости света этот эффект, становясь все внушительнее, делает невозможным преодоление скорости света.
Формула Эйнштейна получила в конце тридцатых годов блестящее подтверждение в реакциях деления урана. При этом одна тысячная часть полной массы исчезала, чтобы вновь целиком обнаружиться в виде атомной энергии. Даже в обычных химических реакциях соблюдается энштейновское соотношение, но количества вещества, появляющиеся или исчезающие во время реакции, меньше одной десятимиллиардной части всей массы, поэтому обнаружить их невозможно даже с помощью очень точных весов.
Важно подчеркнуть, что в специальной теории относительности рассматривается равномерное движение, т. е. движение с постоянной скоростью, при котором не изменяется направление движения. Если движение происходит с ускорением, обусловленным внешними силами, например гравитационным притяжением, то специальную теорию относительности уже нельзя применять.
То, что открыл и внес в физику Эйнштейн, было поистине революционно, поэтому немногие физики поняли сразу, что специальная теория относительности — это гениальное открытие. Среди тех, кто понял, был Макс Планк, который писал: «Эйнштейновская концепция времени превосходит по смелости все, что до этого времени было создано в умозрительном естествознании и даже в философской теории познания».
В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, учивший Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, создал для специальной теории относительности математический аппарат. В своем знаменитом докладе на съезде немецких естествоиспытателей и врачей 21 сентября 1908 года Минковский сказал: «Представления о пространстве и времени, которые я собираюсь развить перед вами, выросли на почве экспериментальной физики. В этом заключается их сила. Они приведут к радикальным следствиям. Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоятельное существование».
С тех пор «мир Минковского» стал неотъемлемой частью специальной теории относительности.
Эйнштейн сказал однажды Джеймсу Франку: «Почему именно я создал теорию относительности?
Когда я задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями». У Эйнштейна не было «взрослой» уверенности в том, что глобальные проблемы мира уже решены. Это ощущение не было вытеснено при накоплении специальных знаний и интересов. Он думал о понятии движения и вернулся к идее, свойственной детству человечества, — к античной идее относительности, которую заслонило потом понятие эфира как абсолютного тела отсчета. Когда же понятие эфира было отброшено, то Эйнштейн сделал вывод, что движение не может быть абсолютным.
Источник
Можно ли указать во вселенной тело которое бы служило абсолютным телом отсчета
Конкретизация понятия «бытие» осуществляется, в первую очередь, в понятии «материя». Ясно, что проблемы материи, в том числе и ее понятие, разрабатывались прежде всего философами-материалистами от древних до современных. Наиболее полная и глубокая разработка данных проблем содержится в трудах современных материалистов. В материалистической философии «материя» выступает как наиболее общая, фундаментальная категория, в которой фиксируется материальное единство мира; разнообразные формы бытия рассматриваются как порожденные материей в ходе ее движения и развития. Определение понятия «материя» было дано В. И. Лениным в его работе «Материализм и эмпириокритицизм» (1909).
«Материя, – писал Ленин, – есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них».[229].
Рассмотрим подробнее это определение. Категория «материя» обозначает объективную реальность. Но что значит «объективная реальность»? Это все то, что существует вне сознания человека и независимо от него. Итак, главное свойство мира, фиксируемое с помощью категории «материя», состоит в его самостоятельном, независимом от человека и от познания существовании. В определении материи, по существу, решается основной вопрос философии, вопрос о соотношении материи и сознания. И при этом утверждается приоритет материи. Она первична по отношению к сознанию. Первична во времени, ибо сознание возникло относительно недавно, а материя существует вечно; первична и в том отношении, что сознание есть исторически возникающее свойство высокоорганизованной материи, свойство, которое появляется у общественно развитых людей.
Материя первична как первичен объект отражения по отношению к его отображению, как модель первична по отношению к ее копии. Но мы знаем, что основной вопрос философии имеет и вторую сторону. Это вопрос о том, как мысли о мире относятся к самому этому миру, вопрос о том, познаваем ли мир. В определении материи мы находим ответ и на этот вопрос. Да, мир познаваем. Ленин в своем определении делает акцент на ощущениях как первичном источнике познания. Это связано с тем, что в названной работе Ленин критикует эмпириокритицизм, философию, для которой проблема ощущения имела особое значение. Хотя, по существу, речь идет о проблеме познаваемости мира, познаваемости материи. Поэтому можно дать и более короткое определение материи: материя – это познаваемая объективная реальность.
Конечно, такое определение является весьма общим и не указывает ни на какие другие свойства материи, кроме как существование ее вне и независимо от сознания, а также на ее познаваемость. Однако мы вправе говорить и о некоторых свойствах материи, которые имеют характер атрибутов, т. е. таких свойств, которые всегда и везде присущи как всей материи, так и любым материальным объектам. Таковыми являются пространство, время и движение. Поскольку все вещи существуют в пространстве, движутся в пространстве, и при этом само существование человека и окружающих его вещей протекает во времени, понятия «пространство» и «время» были сформулированы и использовались довольно давно.
Категории «пространство» и «время» относятся к числу фундаментальных философских и общенаучных категорий. И естественно, они являются таковыми прежде всего потому, что отражают и выражают наиболее общее состояние бытия.
Время характеризует прежде всего наличие или отсутствие бытия тех или других объектов. Было время, когда меня, пишущего эти строки (как, впрочем, и Вас, уважаемый читатель), просто не было. Сейчас мы есть. Но настанет такое время, когда меня и Вас не будет. Последовательность состояний: небытие – бытие – небытие и фиксирует категория времени. Другая сторона бытия – это одновременное существование разных объектов (в нашем простом примере это мое и Ваше, читатель), а также их одновременное несуществование. Время фиксирует также относительные сроки бытия, так что для каких-то объектов оно может быть большим (более длительным), а для других – меньшим (менее длительным). В известной притче из «Капитанской дочки» А. С. Пушкина время жизни ворона было определено в триста лет, а орла – в тридцать. Кроме того, время позволяет фиксировать периоды в развитии того или иного объекта. Детство – отрочество – юность – зрелый возраст – старость – все эти фазы в развитии человека имеют свои временные рамки. Время входит составной частью в характеристику всех процессов существования, изменения, движения объектов, не сводясь ни к одной из этих характеристик. Именно это обстоятельство затрудняет понимание времени как всеобщей формы бытия.
Несколько проще обстоит дело с пониманием пространства, если оно берется в обыденном смысле, как вместилище всех вещей и процессов. Более сложные проблемы, связанные с эволюцией физических концепций пространства и времени, будут рассмотрены ниже.
Философский анализ проблем пространства, времени и движения мы находим в античной философии. Эти проблемы стали более подробно рассматриваться и обсуждаться в науке в XVII в., в связи с развитием механики. В то время механика анализировала движение макроскопических тел, т. е. таких, которые были достаточно большими, чтобы их можно было видеть и за которыми можно было наблюдать как в естественном состоянии (например, при описании движения Луны или планет), так и в эксперименте.
Итальянский ученый Галилео Галилей (1564—1642) был основателем экспериментально-теоретического естествознания.
Он подробно рассмотрел принцип относительности движения. Движение тела характеризуется скоростью, т. е. размером пути, пройденного за единицу времени. Но в мире движущихся тел скорость оказывается величиной относительной и зависимой от системы отсчета. Так, например, если мы едем в трамвае и проходим по салону от задней двери к кабине водителя, то наша скорость относительно пассажиров, сидящих в салоне, будет, к примеру, 4 км в час, а относительно домов, мимо которых проходит трамвай, она будет равна 4 км/час + скорость трамвая, например, 26 км/час. То есть определение скорости связано с системой отсчета или с определением тела отсчета. В обычных условиях для нас таким телом отсчета является» поверхность земли. Но стоит выйти за ее пределы, как возникает необходимость установить тот объект, ту планету или ту звезду, относительно которой определяется скорость движения тела.
Рассматривая задачу определения движения тел в общем виде, английский ученый Исаак Ньютон (1643—1727) пошел по пути максимального абстрагирования понятий пространства и времени, выражающих условия движения. В своей главной работе «Математические начала натуральной философии» (1687) он ставит вопрос: можно ли указать во Вселенной тело, которое бы служило абсолютным телом отсчета? Ньютон понимал, что не только Земля, как это было в старых геоцентрических системах астрономии, не может быть принята за такое центральное, абсолютное тело отсчета, но и Солнце, как это было принято в системе Коперника, не может считаться таковым. Абсолютного тела отсчета указать нельзя. Но Ньютон ставил задачу описать абсолютное движение, а не ограничиваться описанием относительных скоростей движения тел. Для того чтобы решить такую задачу, он сделал шаг, по-видимому, столь же гениальный, сколь и ошибочный. Он выдвинул абстракции, прежде не употреблявшиеся в философии и в физике: абсолютное время и абсолютное пространство.
«Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью», – писал Ньютон. Аналогичным образом он определял и абсолютное пространство: «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным»[230]. Абсолютным пространству и времени Ньютон противопоставил чувственно наблюдаемые и фиксируемые относительные виды пространства и времени.
Конечно, пространство и время как всеобщие формы существования материи не могут быть сведены к тем или иным конкретным объектам и их состояниям. Но нельзя и отрывать пространство и время от материальных объектов, как это сделал Ньютон. Чистое вместилище всех вещей, существующее само по себе, некий ящик, в который можно уложить землю, планеты, звезды – вот что такое абсолютное пространство Ньютона. Поскольку оно неподвижно, то любая его фиксированная точка может стать точкой отсчета для определения абсолютного движения, надо только сверить свои часы с абсолютной длительностью, существующей опять же независимо и от пространства и от любых вещей, находящихся в нем. Вещи, материальные объекты, исследуемые механикой, оказались рядоположенными с пространством и временем. Все они в этой системе выступают в качестве независимых, никак не влияющих друг на друга, составных элементов. Картезианская физика, отождествляющая материю и пространство, не признававшая пустоту и атомы как формы существования вещей, была полностью отброшена. Успехи в объяснении природы и математический аппарат новой механики обеспечили идеям Ньютона долгое господство, длившееся до начала XX в.
В XIX в. началось быстрое развитие других естественных наук. В физике больших успехов достигли в области термодинамики, развивалось учение об электромагнитном поле; был сформулирован в общей форме закон сохранения и превращения энергии. Быстро прогрессировала химия, была создана таблица химических элементов на основе периодического закона. Дальнейшее развитие получили биологические науки, была создана эволюционная теория Дарвина. Все это создавало основу для преодоления прежних, механистических представлений о движении, пространстве и времени. Ряд принципиальных фундаментальных положений о движении материи, пространстве и времени был сформулирован в философии диалектического материализма.
В полемике с Дюрингом Ф. Энгельс отстаивал диалектико-материалистическую концепцию природы. «Основные формы бытия, – писал Энгельс, – суть пространство и время; бытие вне времени есть такая же величайшая бессмыслица, как бытие вне пространства».[231].
В работе «Диалектика природы» Энгельс подробно рассмотрел проблему движения и разработал учение о формах движения, которое соответствовало уровню развития науки того времени. «Движение, – писал Энгельс, – рассматриваемое в самом общем смысле слова, т. е. понимаемое как способ существования материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собой все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением».[232].
Простое перемещение в пространстве Энгельс считал самой общей формой движения материи, над которой, как в пирамиде, надстраиваются другие формы. Это физическая и химическая формы движения материи. Носителем физической формы, по Энгельсу, являются молекулы, а химической – атомы. Механическая, физическая и химическая формы движения составляют фундамент более высокой формы движения материи – биологической, носителем которой является живой белок. И, наконец, самой высокой формой движения материи является социальная форма. Ее носителем является человеческое общество.
«Диалектика природы» увидела свет только в конце 20-х – начале 30-х гг. нашего века и поэтому не смогла оказать влияние на науку в то время, когда она была создана. Но методологические принципы, которые были использованы Энгельсом при разработке классификации форм движения материи, сохраняют свое значение вплоть до настоящего времени. Во-первых, Энгельс приводит в соответствие формы движения и формы или типы структурной организации материи. С появлением нового типа структурной организации материи появляется и новый вид движения. Во-вторых, в классификацию форм движения заложен диалектически понимаемый принцип развития. Разные формы движения связаны между собою генетически, они не просто сосуществуют, но и возникают друг из друга. При этом высшие формы движения включают в себя низшие в качестве составных частей и условий, необходимых для появления новой, более высокой формы движения материи. И наконец, в-третьих, Энгельс решительно возражал против попыток сводить полностью качественно своеобразные более высокие формы движения к нижестоящим формам.
В XVII и XVIII вв. была сильна тенденция сводить все законы природы к законам механики. Эта тенденция получила название «механицизм». Но позже этим же словом стали обозначать попытки сведения биологических и социальных процессов, например, к законам термодинамики. С возникновением дарвинизма появились социологи, склонные объяснять явления общественной жизни односторонне истолковываемыми биологическими законами. Все это проявления механицизма.
Здесь мы сталкиваемся с противоречиями, свойственными процессу развития познания, когда особенности, присущие одним типам структурной организации материи, переносятся на другие типы. Однако следует иметь в виду, что в ходе исследования разных видов организации материи и разных форм движения выявляются некоторые общие, ранее неизвестные обстоятельства и закономерности, характерные для взаимодействия разных уровней организации материи. В результате возникают теории, охватывающие широкий круг объектов, относящихся к разным уровням организации материи.
Конец XIX – начало XX в. стал временем крутой ломки представлений о мире – временем, когда была преодолена механистическая картина мира, господствовавшая в естествознании в течение двух столетий.
Одним из важнейших событий в науке стало открытие английским физиком Дж. Томсоном (1856—1940) электрона – первой внутриатомной частицы. Томсон исследовал катодные лучи и установил, что они состоят из частиц, обладающих электрическим зарядом (отрицательным) и очень малой массой. Масса электрона, согласно расчетам, оказалась более чем в 1800 раз меньше, чем масса самого легкого атома, атома водорода. Открытие такой маленькой частицы означало, что «неделимый» атом не может рассматриваться в качестве последнего «кирпичика мироздания». Исследования физиков, с одной стороны, подтвердили реальность атомов, но с другой – показали, что реальный атом – это совсем не тот атом, который прежде считался неделимым химическим элементом, из множества которых состоят все известные человеку того времени вещи и тела природы.
На самом деле атомы не являются простыми и неделимыми, а состоят из каких-то частиц. Первой из них был открыт электрон. Первая модель атома, созданная Томсоном, получила шутливое название «пудинг с изюмом». Пудингу соответствовала большая, массивная, положительно заряженная часть атома, тогда как изюму – мелкие, отрицательно заряженные частицы – электроны, которые, согласно закону Кулона, удерживались на поверхности «пудинга» электрическими силами. И хотя эта модель вполне соответствовала существовавшим в то время представлениям физиков, она не стала долгожительницей.
Вскоре ее вытеснила модель, хотя и противоречившая привычным представлениям физиков, однако соответствовавшая новым экспериментальным данным. Это – планетарная модель Э. Резерфорда (1871—1937). Эксперименты, о которых идет речь, были поставлены в связи с другим принципиально важным открытием – открытием в конце XIX в. явления радиоактивности. Само это явление также свидетельствовало о сложной внутренней структуре атомов химических элементов. Резерфорд применил бомбардировку мишеней, сделанных из фольги разных металлов, потоком ионизированных атомов гелия. В результате выяснилось, что атом имеет размер 10 в -8 степени см, а тяжелая масса, несущая положительный заряд, всего лишь 10 в степени 12 см.
Итак, в 1911 г. Резерфорд открыл атомное ядро. В 1919 г. он подверг бомбардировке альфа-частицами азот и открыл новую внутриатомную частицу, ядро атома водорода, которую он назвал «протоном». Физика вступила в новый мир – мир атомных частиц, процессов, отношений. И сразу же обнаружилось, что законы этого мира существенно отличаются от законов привычного нам макромира. Для того чтобы построить модель атома водорода, пришлось создавать новую физическую теорию – квантовую механику. Отметим, что за короткий исторический срок физики обнаружили большое количество микрочастиц. К 1974 г. их стало чуть ли не вдвое больше, чем химических элементов в периодической системе Менделеева.
В поисках основ классификации такого большого количества микрочастиц физики обратились к гипотезе, согласно которой многообразие микрочастиц может быть объяснено, если предположить существование новых, субъядерных частиц, различные комбинации которых выступают как известные микрочастицы. Это была гипотеза о существовании кварков. Ее высказали почти одновременно и независимо друг от друга в 1963 г. физики-теоретики М. Гелл-Ман и Г. Цвейг.
Одна из необычных особенностей кварков должна состоять в том, что у них будет дробный (если сравнивать с электроном и протоном) электрический заряд: или -1/3 или +2/3. Положительный заряд протона и нулевой заряд нейтрона легко объяснимы кварковым составом этих частиц. Правда, следует заметить, что физикам не удалось ни в эксперименте, ни в наблюдениях (в частности, и в астрономических) обнаружить отдельные кварки. Пришлось разрабатывать теорию, объясняющую, почему сейчас существование кварков вне адронов невозможно.
Другим фундаментальным открытием XX в., оказавшим огромное влияние на всю картину мира, стало создание теории относительности. В 1905 г. молодой и никому не известный физик-теоретик Альберт Эйнштейн (1879—1955) опубликовал в специальном физическом журнале статью под неброским заголовком «К электродинамике движущихся тел». В этой статье была изложена так называемая частная теория относительности. По существу, это было новое представление о пространстве и времени, и соответственно ему была разработана новая механика. Старая, классическая физика вполне соответствовала практике, имевшей дело с макротелами, движущимися с не очень-то большими скоростями. И только исследования электромагнитных волн, полей и связанных с ними других видов материи заставили по-новому взглянуть на законы классической механики.
Опыты Майкельсона и теоретические работы Лоренца послужили базой для нового видения мира физических явлений. Это касается в первую очередь пространства и времени, фундаментальных понятий, определяющих построение всей картины мира. Эйнштейн показал, что введенные Ньютоном абстракции абсолютного пространства и абсолютного времени должны быть оставлены и заменены другими. Прежде всего отметим, что характеристики пространства и времени будут по-разному выступать в системах неподвижных и движущихся относительно друг друга.
Так, если измерить на Земле ракету и установить, что ее длина составляет, к примеру, 40 метров, а затем с Земли определить размер той же ракеты, но движущейся с большой скоростью относительно Земли, то окажется, что результат будет меньше 40 метров. А если измерить время, текущее на Земле и на ракете, то окажется, что показания часов будут разными. На движущейся с большой скоростью ракете время, по отношению к земному, будет протекать медленнее, и тем медленнее, чем выше скорость ракеты, чем больше она будет приближаться к скорости света. Отсюда следуют некоторые отношения, которые с нашей обычной практической точки зрения являются парадоксальными.
Таков так называемый парадокс близнецов. Представим себе братьев-близнецов, один из которых становится космонавтом и отправляется в длительное космическое путешествие, другой остается на Земле. Проходит время. Космический корабль возвращается. И между братьями происходит примерно такая беседа: «Здравствуй, – говорит остававшийся на Земле, – рад тебя видеть, но почему ты почти совсем не изменился, почему ты такой молодой, ведь с того момента, когда ты улетал, прошло тридцать лет». «Здравствуй, – отвечает космонавт, – и я рад тебя видеть, но почему ты так постарел, ведь я летал всего пять лет». Итак, по земным часам прошло тридцать лет, а по часам космонавтов только пять. Значит, время не течет одинаково во всей Вселенной, его изменения зависят от взаимодействия движущихся систем. Это один из главных выводов теории относительности.
Немецкий математик Г. Минковский, анализируя теорию относительности, пришел к выводу, что следует вообще отказаться от представления о пространстве и времени как отдельно друг от друга существующих характеристиках мира. На самом деле, утверждал Минковский, есть единая форма существования материальных объектов, внутри которой пространство и время не могут быть выделены, обособлены. Поэтому нужно понятие, которое выражает это единство. Но когда дело дошло до того, чтобы обозначить это понятие словом, то нового слова не нашлось, и тогда из старых слов образовали новое: «пространство-время».
Итак, надо привыкать к тому, что реальные физические процессы происходят в едином пространстве-времени. А само оно, это пространство-время, выступает как единое четырехмерное многообразие; три координаты, характеризующие пространство, и одна координата, характеризующая время, не могут быть отделены друг от друга. А в целом свойства пространства и времени определяются совокупными воздействиями одних событий на другие. Анализ теории относительности потребовал уточнения одного из важнейших философских и физических принципов – принципа причинности.
К тому же теория относительности встретилась с существенными трудностями при рассмотрении явления тяготения. Это явление не поддавалось объяснению. Потребовалась большая работа, чтобы преодолеть теоретические трудности. К 1916 г. А. Эйнштейн разработал «Общую теорию относительности!. Эта теория предусматривает более сложную структуру пространства-времени, которая оказывается зависимой от распределения и движения материальных масс. Общая теория относительности стала той основой, на которой в дальнейшем, стали строить модели нашей Вселенной. Но об этом позже.
В формировании общего взгляда на мир традиционно большую роль играла астрономия. Изменения, которые происходили в астрономии в XX в.. носили поистине революционный характер. Отметим некоторые из таких обстоятельств. Прежде всего, благодаря развитию атомной физики, астрономы узнали, почему светят звезды. Открытие и изучение мира элементарных частиц позволило астрономам построить теории, в которых раскрывается процесс эволюции звезд, галактик и всей Вселенной. Тысячелетиями существовавшие представления о неизменных звездах навсегда ушли в историю. Развивающаяся Вселенная – вот мир современной астрономии. Дело здесь не только в общефилософских принципах развития, но и в фундаментальных фактах, открывшихся человечеству в XX в., в создании новых общефизических теорий, прежде всего общей теории относительности, в новых приборах и новых возможностях наблюдений (радиоастрономия, внеземная астрономия) и, наконец, в том, что человечество осуществило первые шаги в космическое пространство.
На основе общей теории относительности стали разрабатываться модели нашей Вселенной. Первая такая модель была создана в 1917 г. самим Эйнштейном. Однако в дальнейшем было показано, что эта модель имеет недостатки и от нее отказались. Вскоре российский ученый А. А. Фридман (1888—1925) предложил модель расширяющейся Вселенной. Первоначально Эйнштейн отверг эту модель, так как посчитал, что в ней были ошибочные расчеты. Но в дальнейшем признал, что модель Фридмана в целом достаточно хорошо обоснована.
В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) открыл наличие так называемого красного смещения в спектрах галактик и сформулировал закон, позволяющий установить скорость движения галактик относительно Земли и расстояние до этих галактик. Так, оказалось, что спиральная туманность в созвездии Андромеды представляет собою галактику, по своим характеристикам близкую к той, в которой находится наша Солнечная система, и расстояние до нее относительно небольшое, всего лишь 2 млн. световых лет.
В 1960 г. был получен и проанализирован спектр радиогалактики, которая, как оказалось, удаляется от нас со скоростью 138 тысяч километров в секунду и находится на расстоянии 5 миллиардов световых лет. Изучение галактик привело к выводу о том, что мы живем в мире разбегающихся галактик, а какой-то шутник, вспомнив, по-видимому, модель Томсона, предложил аналогию с пирогом с изюмом, который находится в духовке и медленно расширяется, так что каждая изюмина-галактика удаляется от всех других. Впрочем, сегодня такая аналогия уже не может быть принята, так как компьютерный анализ результатов наблюдений галактик приводит к выводу о том, что в известной нам части Вселенной галактики образуют некоторую сетевую или ячеистую структуру. Причем распределение и плотности галактик в пространстве существенно отличаются от распределений и плотностей звезд внутри галактик. Так что, по-видимому, как галактики, так и их системы следует считать различными уровнями структурной организации материи.
Анализ внутренней взаимной связи между миром «элементарных» частиц и структурой Вселенной направил мысль исследователей и по такому пути: «А что было бы, если бы те или другие свойства элементарных частиц отличались от наблюдаемых?» Появилось множество моделей Вселенных, но, кажется, все они оказались одинаковыми в одном – в таких Вселенных нет условий для живого, похожего на тот мир живых, биологических существ, который мы наблюдаем на Земле и к которому сами принадлежим.
Возникла гипотеза «антропной» Вселенной. Это – наша Вселенная, последовательные этапы развития которой оказывались такими, что создавались предпосылки для возникновения живого. Таким образом, астрономия во второй половине XX в. призывает нас посмотреть на самих себя, как на продукт многомиллиарднолетнего развития нашей Вселенной. Наш мир – это лучший из миров, но не потому, что, согласно Библии. Бог создал его таким и увидел сам, что это хорошо, а потому, что в нем сформировались такие отношения внутри систем материальных тел, такие законы их взаимодействия и развития, что в отдельных частях этого мира могли сложиться условия для появления жизни, человека и разума. При этом целый ряд событий в истории Земли и Солнечной системы можно оценить как «счастливые случайности».
Американский астроном Карл Саган предложил наглядную модель развития Вселенной во времени, ориентированную на человека[233]. Все время существования Вселенной он предложил рассматривать как один обычный земной год. Тогда 1 секунда космического года окажется равной 500 годам, а весь год – 15 миллиардам земных годов. Все начинается с Большого взрыва, так астрономы называют момент, когда началась история нашей Вселенной.
Источник