Важно

  •  

Sunday, May 17, 2009

«Философия науки» - cуть специальной теории относительности

Пред. Огл. След.


Представим себе корабль, движущийся с той же скоростью , что и волны на поверхности моря. Для находящегося на корабле «наблюдателя», т. е. для человека, который может измерить скорости только по отношению к кораблю, волны покажутся неподвижными. Не замечая ни неба, ни берегов, «наблюдатель» увидит как бы застывшую поверхность моря, он ничего не будет знать о движении волн — ведь они неподвижны по отношению к кораблю. Такие субъективные впечатления «наблюдателя» лишь условное выражение объективного факта: волны действительно неподвижны к системе отсчёта, в которой неподвижен корабль (к системе отсчёта «привязанной» к кораблю).

Сохранится ли неподвижность волн по отношению к кораблю (к системе отсчёта «привязанной» к кораблю, и к находящемуся на нём «наблюдателю»), если это будут не волны на водной поверхности, а электромагнитные волны, т. е. свет. Свет пробегает вдоль Земли со скоростью примерно равной 300 000 километров в секунду. Пусть корабль движется тоже с такой скоростью. Для «наблюдателя» на корабле свет имеет тогда нулевую скорость. Но в этом случае оптические процессы на корабле резко изменятся, например, вспышка фонаря не осветит экрана, находящегося на носу корабля. Электромагнитное поле станет аналогично застывшей поверхности моря, окружающей корабль, оно окажется переменным в пространстве, т. е. в пространстве будут чередоваться гребни и впадины, но они не будут сдвигаться с течением времени. Такое изменение оптических процессов позволит «наблюдателю» зарегистрировать абсолютным образом движение. Вооружённый оптическим инструментом «наблюдатель» сможет отличить движущийся корабль от неподвижного. Но это противоречит теории Максвелла, в которой свет всегда представляет собой движущийся электромагнитные волны. Противоречит это и интуитивному убеждению в невозможности зарегистрировать равномерное и прямолинейное движение при помощи внутренних эффектов в движущиеся системе.

«Парадокс заключался в следующем. Если бы я стал двигаться вперёд вслед за скоростью света со скоростью c (скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как из опыта так и из уравнений Максвелла. Интуитивно мне показалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя всё должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя неподвижного относительно Земли. В самом деле, как же первый наблюдатель может знать или установить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения?» [*]


[*] «Albert Einstein. Philosopher-Scientist». Ed. by Paul A. Schulpp. Evantson, 1949. См. перевод: А. Эйнштейн. Собрание научных трудов, т. 4, М., 1967, стр. 278


По существу указанный парадокс является конфликтом между двумя идеями классической механики, перенесёнными в новую область электромагнитных процессов.

Первая из них представляет собой классическое правило сложения скоростей. Если человек идёт по коридору вагона со скоростью 5 километров в час относительно вагона, а вагон движется со скоростью 50 километров в час относительно Земли, то человек движется относительно Земли со скоростью 50 + 5 = 55 километров в час, когда идёт по направлению движения поезда, и со скоростью 50 - 5 = 45 километров в час, когда он идёт в обратном направлении. Если человек в коридоре вагона движется относительно Земли со скоростью 55 километров в час, а поезд со скоростью 50 километров в час, то скорость человека относительно поезда 55 - 50 = 5 километров в час. Если волны движутся относительно берега со скоростью 30 километров в час, а корабль также со скоростью 30 километров в час, то волны движутся относительно корабля со скоростью 30 - 30 = 0 километров в час, т. е. они становятся неподвижными. Что же происходит в случае электромагнитных волн? Сохранится ли здесь столь очевидное правило сложения скоростей?

Классическое правило сложения скоростей соответствует преобразованию координат от одной системы осей к другой системе, движущиеся относительно первой без ускорения. Если при таком преобразовании мы сохраняем понятие одновременности, т. е. сможем считать одновременными два события не только при их регистрации в одной системе координат, но и во всякой другой инерциальной системе, то преобразование называются галилеевым. Кроме того, при галилеевых преобразованиях пространственное расстояние между двумя точками — разница между их координатами в одной инерциальной системе отсчёта — всегда равно их расстоянию в другой инерциальной системе.

Вторая идея — принцип относительности. Находясь на корабле, движущемся равномерно и прямолинейно, нельзя обнаружить его движение какими-то внутренними механическими эффектами. Распространяется ли этот принцип на оптические эффекты? Нельзя ли обнаружить абсолютное движение системы по вызванным этим движением оптическим или, что то же самое электродинамическими эффектами? Интуиция (довольно явным образом связанная с классическим принципом относительности) говорит, что абсолютное движение нельзя обнаружить каким бы то ни было наблюдениями. Но если свет распространяется с определённой скоростью относительно каждой из движущихся инерциальных систем, то эта скорость изменится при переходе от одной системы к другой. Это вытекает из классического правила сложения скоростей. Говоря математическим языком, величина скорости света не будет инвариантна относительно галилеевых преобразований. Это нарушает принцип относительности, вернее, не позволяет распространить принцип относительности на оптические процессы. Таким образом электродинамика разрушила связь двух, казалось бы, очевидных положений классической физики - правила сложения скоростей и принципа относительности. Более того, эти два положения применительно к электродинамике оказались несовместимыми. Непротиворечивая картина мира могла быть только парадоксальной, «безумной», т. е. отказавшейся от привычного и поэтому «очевидного» положения. От какого именно — от правила сложения скоростей или от принципа относительности, — это должен был решить эксперимент.

В 1882 году Майкельсон провёл решающий эксперимент. Он пользовался прибором, который называется интерферометром и позволяет обнаружить очень небольшие различия в скорости света. В нём имеются две трубки по которым пробегают лучи света. Одна трубка была направлена вдоль движения земной поверхности и находящегося в ней прибора, другая трубка находилась в поперечном положении. Движение Земли в мировом эфире должно было сказаться в увеличении скорости света, когда последний проходит продольной к движению Земли трубке навстречу этому движению, и в уменьшении в скорости, когда свет догоняет Землю. Измерить скорость света при прохождении по трубке от одного конца до другого невозможно. Удаётся измерить время, необходимое свету для движения в трубке туда и обратно. Пусть свет направлен по движению Земли. Тогда он пройдёт к противоположному концу продольной трубки с запозданием, а обратный путь проделает с опережением. Но опережение на обратном пути не полностью компенсирует опоздание, и в целом получится небольшое запоздание. Свет пройдёт туда и обратно в продольной трубке за большее время, чем туда и обратно по поперечной трубке. Сравнив скорость света в продольной и поперечной трубках мы обнаружим это запоздание, если движение Земли оказывает влияние на скорость света относительно Земли.

Земля движется в мировом пространстве со скоростью 30 километров в секунду, и изменение скорости света должно было оказаться величиной, которую интерферометр Майкельсона обязательно обнаружил бы. Однако скорость света оказалась независящей от движения Земли в эфире; опыт дал отрицательный результат. Можно было предположить, что прибор Майкельсона увлекает при своём движении эфир, так что трубка интерферометра и весь прибор в целом не движется относительно эфира. Но такое предположение было опровергнуто другими оптическими экспериментами.

В самом конце XIX века Вильям Томсон говорил, что наука, наконец, вошла в гавань, разрешила все коренные вопросы и может теперь только уточнять детали. Но он упомянул о двух нерешённых проблемах. Одна из них состояла в некоторых затруднениях теории излучения — они-то и привели в 1900 году Макса Планка к идее квантов. Второй нерешённой проблемой Томсон считал результаты опыта Майкельсона. За вычетом указанных проблем, науке ничего не угрожает и она может считать себя гарантированной от пересмотра своих коренных теоретических устоев. И как это часто бывает, не успели метеорологи объявить о наступлении ясной погоды, как грянул гром. Он грянул именно из тех туч, о которых говорил Томсон. Результаты опыта Майкельсона и множества аналогичных опытов опрокинули, казалось бы, самые очевидные представления о мире. В 1905 году инженер бернского патентного бюро заявил, что свет действительно распространяется с одной и той же скоростью относительно всех тел, движущихся с постоянной скоростью одно относительно другого — встречающихся, отстающих одно от другого, перегоняющих одно другое.

Чтобы подчеркнуть всю парадоксальность этого утверждения нарисуем следующую картину. С палубы быстро движущегося корабля бросаются в воду два человека, плавающих с одной и той же быстротой. Один из них плывёт от носа к корме, т. е. навстречу кораблю, другой от кормы к носу, догоняя корабль. Казалось бы, очевидно, что пловцы затратят различное время: тот, кто плывёт по воде навстречу кораблю, достигнет кормы скорее, чем второй пловец носа корабля. И вот вопреки очевидности пловцы проходят этот путь в одно и то же время, т. е. с одной и той же скоростью. Разница в скорости показала бы, что корабль движется. Если такой разницы нет, то о движении корабля можно судить только по изменению его расстояния от берега или от другого корабля, движение его относительно; с тем же правом можно сказать, что берег движется относительно корабля. Свет ведёт себя, как эти пловцы. Оптически процессы в теле не дают внутренних критериев движения, не дают основания говорить об абсолютном движении. Свет распространяется с одной и той же скоростью относительно различных, движущихся одно относительно другого тел. Основную посылку теории относительности Эйнштейна выражают словами: «скорость света одна и та же во всех системах отсчёта движущихся одна относительно другой без ускорения».

Мы можем прикрепить систему отсчёта к кораблю и считать неподвижным стоящие на палубе предметы; можем прикрепить её к берегу и зарегистрировать движение этих предметов с уплывающим кораблём; можем прикрепить систему отсчёта к Земле, к Солнцу, к Сириусу, и каждый раз у нас получится другая картина покоящихся и движущихся тел во Вселенной. Но переход от одной системы отсчёта к другой ничего не меняет в ходе внутренних процессов в теле. В одной системе тело неподвижно, в другой оно движется, но эти определения «неподвижно» и «движется» относительны, они имеют смысл только по отношению к некоторой системе отсчёта; движение тела выражается в изменении расстояний от других тел — и только, а покой выражается в неизменности таких расстояний и только. Внутренних различий, различий в ходе внутренних процессов нет, в том числе нет различий в скорости света.

Так была дискредитирована идея привилегированной абсолютной системы отсчёта, убеждение, что в некоторой абсолютной системе отсчёта при регистрации движения и при измерении скорости мы получаем «истинные» данные, а в других системах отсчёта движение и покой представляют лишь кажущиеся состояния. Так была завершена коперниканская революция, отнявшая у Земли её абсолютную неподвижность, а у системы отсчёта, в которой Земля неподвижна, — её привилегированный характер. Когда Коперник и Галилей показали людям, что движение тел, каким оно представляется при наблюдении с Земли и при измерении в системах отсчёта, привязанных к Земле, не имеет абсолютного характера, дальнейшее развитие идей относительности уже не могло никого поразить. Но ликвидация последней линии укреплений, защищавших абсолютное движение, потребовала признания самой парадоксальной картины мира, которую можно себе представить, — картины движения света с одной и той же скоростью в системах, которые сами движутся одна относительно другой.

Признание парадоксальности новой картины мира — исходный пункт анализа её воздействия на характер научного мышления. Но парадоксальные утверждения Эйнштейна не вызывали бы такого широкого резонанса, если бы они не были так тесно логически и исторически связаны с «классическим идеалом» и с предыдущими переворотами в науке, освобождавшими её от антропоцентрических абсолютов.

Пред. Огл. След.

No comments:

Post a Comment