Аркадий Липкин - Концепции современного естествознания. Часть 1. Науки о неживом (физика, химия, синергетика)

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 противоречия 15 15 А не объяснения опытов Майкельсона–Морли, как пишут в некоторых учебниках и популярных книжках. , 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 = m vc2, где m v= m 0(1– v2/c2)-1/2, v – скорость частицы, m 0– так называемая масса покоя, т. е. масса при v = 0 16 16 В учебниках, как правило, mv называют «зависящей от скорости инертной массой» в отличии от m0 (тогда здесь импульс p(v)=mvv). Но последнее время физики склонны считать более физичным называть массой только неизменную характеристику частицы, совпадающую с m0, не вводить особую величину mv и не употреблять индексов [Окунь]. . Эта формула утвердила эквивалентность массы и энергии и стала основой теоретических оценок энергии выделяемой при термоядерных реакциях.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Ссылки на соответствующую литературу см. в [Келле, с. 41].

В отличие от классического курса истории науки нас будет интересовать «внутренняя история», связанная с логикой развития систем понятий, а не «внешняя» история взаимодействия людей и идей.

Ср. цель Коперника: «… Объяснить ход мировой машины, созданный лучшим и любящим порядок Зодчим» (по [Аршинов, с. 185]).

А. Пуанкаре делил историю «математической физики» (имея в виду посленьютоновскую физику XVIII–XIX вв., активно использовавшую математику) на три этапа: на первом этапе, относимом им к XVIII в., образцом является небесная механика, основанная на законах Ньютона. Здесь теории строятся на основе моделей, состоящих из точечных частиц и сил между ними. Второй этап – физику второй половины XIX в. – Пуанкаре определяет как «физику принципов», когда к природным объектам относятся как к сложным машинам с неизвестным внутренним строением («черным ящиком»). Свое время (конец XIX – начало XX вв.) он оценивал как кризис «физики принципов», за которым должен последовать новый третий этап [Пуанкаре, с. 232 и далее]. Описываемая ниже «теоретическая физика», по-видимому, и является этим ожидавшимся Пуанкаре третьим этапом. Не случайно именно конец XIXв. ознаменован «появлением кафедр теоретической физики» [12, с. 9].

Без математического слоя нельзя овладеть физикой, нельзя в ней работать, но понимание физики связано, в первую очередь, с освоением модельного слоя. Специфика данного курса состоит в том, что в нем вся теоретическая физика спроецирована на модельный слой, благодаря чему убирается сложная математика. Это позволяет на уровне понимания обсуждать очень глубокие проблемы с далекими от математики и физики гуманитариями.

В «Беседах…» Галилея эти два слоя выделяются языком и стилем: математический слой представлен трактатом, написанным на латыни, а модельный – живым диалогом на итальянском.

«Мы хотим каким-то образом говорить о строении атома, а не только о наблюдаемых явлениях, к которым относятся, например, … капли в камере Вильсона», – говорит Гейзенберг [Гейзенберг, 1989, с. 162, 112]. Эти мотивы он развивает в статье «Что такое «понимание» в теоретической физике?» [Гейзенберг, 1971, с. 75–77]. Ссылаясь на пример теории Птолемея с ее высокой «предсказательной ценностью», Гейзенберг подчеркивал, что несмотря на это «большинство физиков согласятся, что лишь после Ньютона удалось добиться «реального понимания» динамики движения планет.