XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Принцип относительности – один из основополагающих законов физики, который гласит, что любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, прибывающей в состоянии покоя, и в такой же системе в процессе равномерного прямолинейного движения. Состояния движения или покоя определяются по отношению к некоторой определённой инерциальной системе отсчета. В основе специальной теории относительности Эйнштейна лежит принцип относительности.

Альберт Эйнштейн (Einstein) (1879–1955) – физик-теоретик, один из основателей современной физики, лауреат Нобелевской премии, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Создал частную (1905) и общую (1907–16) теории относительности [1].

Специальная теория относительности применяет понятия классической механики (например, инерциальная система), основы которой заложил Исаак Ньютон. Эта фундаментальная физическая теория имеет высокий статус и в современной физике.

Основным законом механики Ньютона является закон инерции, который звучит следующим образом – «Всякое тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние» [2].

В качестве инерциальной системы отсчёта (в которой выполняется закон инерции) выступает материальная точка, когда на неё не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), она находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Инерциальной же считаются все системы отсчёта, движущиеся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно.

В частной (специальной) теории относительности рассматриваются только инерциальные системы отсчёта. В связи с причастностью к теории относительности появились понятия релятивистских (от лат. «относительный») явлений и скоростей, численно приближённых к скорости света в вакууме [3].

Существует фактически две различных теории относительности, известных в физике, одна из них называется специальной (частной) теорией относительности, другая – общей теорией относительности. В данной работе подробно рассмотрены предпосылки к их появлению, раскрыта суть специальной теории относительности и проведён анализ современного отношения к данной теории.

ЗАРОЖДЕНИЕ ОСНОВ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В значительной степени, на появление теории относительности повлияла авторитетная и ныне философия Иммануила Канта, признанное, наконец, к тому времени учение о бесконечности, а также некоторые математические труды, например неевклидовы геометрии Лобачевского (1792–1856) и Римана (1826–1866), представления о времени Минковского и Пуанкаре. С теориями относительности Эйнштейна их объединяет общее отсутствие методологии познания и то, что они не противоречат, но иначе формулируют основные понятия, формирующие данные теории, и не стремятся следовать общенаучным принципам исследований. Это объясняется тем, что эти понятия и принципы были сформированы их предшественниками по естественной незрелости науки. А использование методов логики, математики и физики в итоге дало возможность получения очень оригинальных итоговых выводов[4].

И древнегреческий учёный Птолемей, и, позже, Иммануил Кант, предвещали взаимосвязь реальности и самого познания. Объект, по Канту, существует лишь в формах деятельности субъекта. До сих пор, методология познания применяет принцип Канта и Птолемея: «Что вижу то и суть». Приходит на ум притча о четырёх слепцах-мудрецах, которые ощупывали слона. Причём каждый ощупывал слона сугубо в определённых местах: один только ногу, другой только живот, третий хобот, четвёртый хвост. А затем они утверждали в разнобой об «истинности» и «правдивости» познанного ими облика слона. Фактически в подходе к познанию Канта и Птолемея: «Что вижу то и суть», реализован именно такой субъективный подход к познанию и отвергнута возможность объективного познания в сравнении с общепринятыми эталонами – принципами познания.

Понятие бесконечности до сих пор не является общенаучным понятием. Это объясняется отсутствием у данной величины эталона, а значит относительной сравнительной величины.

Именно из-за этого, Минковский и определил собственное видение понятия «время». Он дал определение времени как «плоскости мирового проявляющего процесса», которая «бежит» со скоростью света от произвольно выбранного любого «начала координат». Общепринятое понятие времени, было подогнано под доступный геометрический процесс познания. Это дало надежду современным исследователям на поиски способов путешествий в пространстве-времени [5].

Совокупность теорий Минковского и Римана в итоге определила четырёхмерное произвольное представление пространства-времени, практически не имеющее возможности применения на практике. Оно не пригодно для моделирования реальных физических, изменяющихся объектов природы, как функций от их изменяющихся параметров.

Пространство-время – это представление пространства событий, не имеющих размерности, определённых лишь пространственными координатами мест и моментами времени их возникновения. Свойства пространства и времени могут меняться никак не влияя друг на друга.

Основанием специальной теории относительности Эйнштейн посчитал сформулированный им принцип относительности, по сути не противоречащий принципу относительности Галилея. Его сущность заключается в равноправии всех инерциальных систем отсчёта в классической механике, и в невозможности определить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно.

Ньютон представлял пространство как некую координатную сетку, на которую не влияет материя и её движение. Отсчёт времени же в данном представлении мира производится некими абсолютными часами, на ход которых ничто не может повлиять.

Основой специальной (или частной) теории относительности в математическом представлении являются преобразования Х. Лоренца, представленные в 1895 году и носящие его имя.

При скорости движения материальных точек, отличной от скорости света они переходят в преобразования Галилея, но если эти значения становятся сопоставимыми, то картина пространства-времени становится релятивистской – обнаруживается несостоятельность привычных представлений о времени. События, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой.

СУТЬ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Создание теории относительности стало грандиозным открытием в области физики, оказавшим огромное влияние на всю картину мира.

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 (специальная) теория относительности.

Ещё будучи совсем юным, Эйнштейн пытался представить, что мог бы увидеть наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. В студенческие годы Эйнштейн познакомился с работами Максвелла, безоговорочно верил в реальное существование всепроникающего эфира и думал о действии на него различных полей (в том числе и магнитного) и есть ли способ определить движение относительно эфира.

Но обнаружить абсолютное движение оказалось невозможно и, концепция эфира была утрачена. Это позволило предположить универсальность принципа равноправия всех инерциальных систем отсчёта, вынеся его за привычные рамки механики. Эйнштейн сформулировал два важнейших постулата, исключающих гипотезу о существовании эфира и ставших основой обобщенного принципа относительности:

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отчёта и не должны меняться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн предложил, казалось бы, невозможное – что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при существовании дополнительных условий) в итоге доказывает справедливость полученных ранее Х. Лоренцем формул для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую, движущуюся относительно первой. Это стало настоящим прорывом, ведь даже сам Лоренц считал, что эти преобразования не имеют непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Таким образом, постулат Эйнштейна помог определить реальность этих преобразований, в том числе, реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики ещё Галилеем, был распространён на электродинамику и другие области физики. Одним из значимых результатов этого открытия стало определение важного универсального соотношения между массой (М), энергией (Е) и импульсом (Р), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии:

E² = М² c⁴ + P² ∙с² , (1)

где с – скорость света.

СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД НА ПРИНЦИПЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Альберт Эйнштейн, именем которого по праву названа современная теория относительности, является знаковой личностью в истории новейшего естествознания. «С величайшей непримиримостью Эйнштейн выступал против любых попыток канонизации в какой-либо форме естественнонаучных и философских точек зрения, которая лишает возможности подвергнуть их критической проверке и тем самым препятствует дальнейшему творческому прогрессу» [6].

В современном научном мире нередко появляются мнения и даже работы, посвящённые критике специальной теории относительности. Как правило, они направлены либо на поиск ошибок в её математическом и логическом обосновании, либо в эмпирических попытках её опровержения. Но, зачастую, сущность этой теории оказывается не совсем понятной автору и поэтому на данной момент не существует ни одного значимого исследования, которое могло бы опровергнуть специальную теорию относительности.

Как было сказано ранее, задатки теории относительности были известны ещё до разработок Эйнштейна. Размышления на темы того, что всё относительно, были присущи ещё Платону. По большому счёту, Эйнштейн подходил к рассмотрению процессов окружающего мира скорее с философской и религиозной стороны, он желал «...Знать, что существует сокровенная реальность, которая открывается нам как высшая красота, знать и ощущать это вот ядро истинной религиозности...» [7].

Откуда же берутся сомнения в правдивости специальной теории относительности? Истоки сомнений находятся в её исходном постулате о постоянстве скорости света. Существует мнение, что лежащее в основе специальной теории относительности утверждение о том, что скорость света не зависит от движений источника и наблюдателя в пустоте, сделано ошибочно. Основанием для этого является анализ экспериментов и наблюдений, проводимых в реальных условиях, когда свет распространяется в реальной среде [8].

Учитывая влияние среды на скорость света, все проводимые эксперименты и наблюдения легко объясняются с точки зрения Галилеевской теории и надобность в специальной теории относительности отпадает.

В физической науке имеют место математические результаты и сложившиеся, в том числе кажущиеся кому-то неестественными, способы о них говорить.

Много вопросов вызывают неожиданные версии, которые всё чаще встречаются в современной физике. Можно, например, говорить о замедлении процессов и о замедлении времени. Это два способа говорить о математических или экспериментальных результатах. Но из последнего способа интерпретации времени вытекает, что ноги и голова стоящего на ногах человека живут в разных временах, потому что эти части тела находятся на разном расстоянии от поверхности Земли. Если бы философы от физической науки не занимались искажением общепринятого языка, то недоразумений по поводу специальной теории относительности было бы гораздо меньше [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теория относительности А. Эйнштейна – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. Эти свойства зависят от полей тяготения в данной области пространства-времени. Если рассматривать частную, или специальную, теорию относительности, то полями тяготения можно будет пренебречь. Физические явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими и проявляются при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме.

В основе специальной теории относительности лежат труды учёных, имена которых широко известны в современном естествознании, к ним относятся Галилей, Платон, Кант. Теория относительности выявила ограниченность представлений классической физики об «абсолютных» пространстве и времени, неправомерность их обособления от движущейся материи; она даёт более точное, по сравнению с классической механикой, отображение объективных процессов реальной действительности.

Данный вопрос не перестаёт быть обсуждаемым в современном научном обществе. Современные исследователи всё чаще стремятся найти уязвимые места специальной теории относительности. Существует не мало и теоретических, и экспериментальных работ, направленных на разоблачение трудов Эйнштейна. Однако, нет ни одной работы, способной доказать, что специальная теория относительности не имеет права на существование.

В данной работе были рассмотрены основы зарождения специальной и общей теорий относительности Эйнштейна, определена суть частной теории и приведены современные взгляды на проблемы специальной теории относительности Эйнштейна.

Данный вопрос не перестаёт быть обсуждаемым в современном научном обществе.

Список использованных источников

1. Ларина О.В. Лауреаты Нобелевской премии / О.В.Ларина, Т.В.Гутин – М.: Славянский дом книги, 2006. – 863 с.

2. Алексеев П.В., Панин А.В. Философия: Учебник. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2003. – 608 с.

3. Кассирер Э. Теория относительности Эйнштейна. Пер. с нем. Изд. Второе, 2008. 144 с.

4. Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени. М., 1998.

5. Гернек Ф. Альберт Эйнштейн. М.: Мир, 1979. С. 13.

6. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. – М.: Аспект Пресс, 2000. – 256 с.

7. A. Einstein, ScienceandReligion, in: OutofMyLaterYears, TheCitadelPress, Secaucus, NewJersey, 1956, pp. 21–30 – А. Эйнштейн, Наука и религия: Из моих более поздних лет, Цитадель Пресса, Секокус, Нью-Джерси, 1956. С. 21-30.

8. Виталий Соколов, Геннадий Соколов. Сущность специальной теории относительности. URL: http://www.gsjournal.net/old/sokolov/sokolov9r.pdf (дата обращения: 25.10.2018).

9. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – М.: Проект, 2002. – 336 с.

Код для цитирования: Скопировать