Попытка научной систематизации картины мира. Естественно-научная революция Аристотеля

Усвоить естествознание легче, исследуя его развитие во времени.
Дело в том, что в систему современного естествознания, наряду с новыми науками о Природе, входят и такие исторические области знаний, как древнегреческая натурфилософия, естествознание Средневековья, наука Нового времени и классическое естествознание до начала XX века. Это поистине бездонная сокровищница всех знаний, приобретенных человечеством за долгие годы своего существования на нашей планете.

Попытка понять и объяснить мир без привлечения таинственных сил
была впервые предпринята древними греками. Началось зарождение науки
 в VI-IV в.в. до н.э. в Древней_Греции,_где появились первые научные
учреждения: ак а демия Платона, лицей Аристотеля, Александрийский музей.
Именно в Греции была впервые выдвинута идея о единой материальной основе
мира и его развитии. Самой гениальной была идея атомистического
строения материи, впервые высказанная Левкиппом (500-400 до н.э.) и
развитая его учеником Демокритом (460-370 до н.э.).                       

Суть учения Демокрита сводится к следующему:                    

1. Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства (т.е. пустоты, небытия).

2. Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме.

3.  Из "ничего" не происходит ничего.        

    4. Ничто не совершается случайно, а только по какому-либо основанию в связи с  

        необходимостью.                                                                      

    5. Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке.

        Развивая учение Демокрита, Эпикур (341-270 до н.э.) пытался объяснить на основе атомных представлений все естественные, психические и социальные явления. Если суммировать все воззрения Демокрита и Эпикура, то, имея хорошее воображение, можно увидеть в их трудах зачатки атомной и молекулярно-кинетической теории. Учение древнегреческих атомистов дошло до нас через знаменитую поэму "О природе вещей" Лукреция Кара (99-56 до н.э.).

По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась все более актуальной. Эта задача была выполнена одним из величайших мыслителей древности, учеником Платона - Аристотелем (384-322 до н.э.). Аристотель был наставником Александра Македонского, вплоть до его смерти. Аристотелем было написано много работ. В одной из них - "Физике", он рассматривает вопросы о материи и движении, о пространстве и времени, о конечном и бесконечном, о существующих причинах.

В своей другой работе - "О небе" он привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка (как считали в то время), а круглый шар. Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара.

Во-вторых, из опыта своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. Полярная звезда на Северном полюсе находится прямо над головой наблюдателя. Человеку же на экваторе кажется, что она располагается на линии горизонта. Зная разницу в кажущемся расположении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел вычислить длину экватора! Правда эта длина получилась несколько большей (примерно в два раза), но все равно в те времена это было крупное научное открытие.

Аристотель полагал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам.

Интересно, что первые глобальные научные открытия были сделаны учеными не в земной области, а в области вселенской, космической. Именно из этих астрономических знаний родилась новая картина строения Вселенной, разрушая все старые привычные представления об окружающем людей мире. Эти знания настолько изменили и само мировоззрение всех живших в то время людей, что силу их воздействия на умы можно сравнить разве что с революцией - резкой переменой взглядов на устройство мира. Такие "перевороты"в основах знаний в научном мире так и называются - естественно-научные революции.

Каждая глобальная естественно-научная революция начинается именно с астрономии (величайший пример - создание теории относительности). Решая чисто астрономические проблемы, ученые начинают ясно понимать, что у современной науки нет достаточных оснований для ее объяснения. Далее начинается радикальный пересмотр всех имеющихся космологических  представлений о мире и о Вселенной в целом. Завершается естественно­научная революция (если дело доходит до этого) возведением нового физического фундамента под новые, радикально пересмотренные космологические представления о всем мироздании.

Главный итог первой естественно-научной революции, преобразо­вавшей астрономию, космологию и физику, - создание последовательного учения о геоцентрической системе мира, начатое еще в VI в. до н.э. Анаксимандром и Аристотелем.  Эту научную революцию принято называть Аристотелевой.

                 2.2. Архимед и геометрия Евклида      

Переход к геоцентризму представлял собой первый и очень трудный шаг на пути к пониманию истинного строения Земли и космоса. Видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, была дополнена аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Собственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной, занимающая в ней центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической (шарообразной). Ученым того времени с трудом пришлось смириться с тем фактом, что на диаметрально противоположном пункте земного шара, согласно этой модели, существуют люди, которые ходят по отношению к ним "вверх ногами"! Потому настоящее утверждение идеи о шарообразности нашей планеты произошло значительно позже - в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т.е. лишь на рубеже XV и XVI веков.

 Вернемся к Древней Греции. Именно здесь впервые зародились основы всем известной школьной геометрии. Ее постулаты, ее теоремы - это не что иное, как переработанная геометрия Евклида (III в. до н.э.). Его предшественники - Фалес, Пифагор, Аристотель и другие многое сделали для развития геометрии, но все это были отдельные фрагменты. Единую логическую схему геометрии смог дать только Евклид в своих "Началах" - уникальном произведении в истории человеческой культуры. Трудно оценить то влияние, которое оказали "Начала" на научную деятельность многих ученых, совершивших революцию в естествознании. Н.Коперник никогда не расставался с томом Евклида. Галилео Галилей также прекрасно владел основами его геометрии. А Исаак Ньютон по примеру Евклида назвал свой фундаментальный труд "Математические начала натуральной философии". Геометрией Евклида был очарован и Эйнштейн. Он говорил: "Мы почитаем Древнюю Грецию как колыбель западной науки. Там была впервые создана геометрия Евклида - это чудо мысли.... Тот не рожден для теоретических исследований, кто в молодости не восхищался этим творением".

Другим выдающимся ученым древнего мира является Архимед (287-212 до н. э.). Это был первый представитель математической физики, стремившийся воплотить законы механики (закон рычага, учение о центре тяжести, о плавании тел и др.) в действующие конструкции машин. Общеизвест­ным в настоящее время является закон Архимеда. Этот закон изложен в сочинении "О плавающих телах", где он путем логических рассуждений приходит к его формулировке: "На тело, погруженное в жидкость, действует выталки­вающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом". Далее Архимед разбирает условия равновесия плавающих тел, имеющих форму сферического и параболического сегментов. Выводы, полученные Архимедом, были подтверждены и развиты математиками и механиками XIX в. Основы гидростатики, заложенные им, получили развитие в XVI-XVII в. в.

 2.3. Гелиоцентрическая система мира Коперника.                                     Вторая естественно-научная революция

Как уже было сказано, Аристотель утверждал, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной. Представления Аристотеля об устройстве мира оставались незыблемыми до XVII века. Это, конечно, не значит, что взамен ничего не предлагалось.

 Так, Аристарх Самосский (ок.320-250 до н.э.) предложил еще в то время гелиоцентрическую систему "строения Вселенной", в которой все планеты, в том числе и Земля, вращаются вокруг Солнца. Однако, подобная мысль слишком опережала свое время и была полностью отвергнута, в частности из-за ее противоречия аристотелевой картине мира.

Птолемей (ок.100-165 н.э.) превратил идею Аристотеля в полную космологическую модель геоцентрической системы мира.

Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами, и несущими на себе Луну, Солнце и планеты. Что лежит за последней сферой, не объяс­нялось. Но было бы неверным считать, что система Птолемея принималась безоговорочно. Уже в конце XIII века среди ученых появилось недовольство этой системой из-за ее сложности и громоздкости. Постепенно начали возникать и более обоснованные возражения.

Французский философ Николай Орезмский (1320-1382) высказал мысль, что легче представить себе вращение самой Земли, чем вращение вокруг нее огромной звездной сферы. Однако, дальше идеи он не пошел.

Начало научной революции, которая низвергла систему Птолемея, а вместе с ней и все здание механики Аристотеля положил труд Николая Коперника (1473-1543). Коперник еще студентом познакомился с идеями о возможном движении Земли. Он проникся убеждением, что наблюдаемые движения небесных тел лучше всего объясняются двумя движениями Земли: ее вращением вокруг своей оси и обращением вместе с другими планетами вокруг Солнца, которое находится в центре мира. В 1543 г. в год смерти Коперника вышла в свет его книга "О вращении небесных сфер". Книга вызвала большой интерес и многочисленные дискуссии.

Идея гелиоцентрической Вселенной и движущейся Земли начала быстро завоевывать умы ученых. В Англии теория Коперника нашла прочную поддержку. Там вышла книга Томаса Диггса (ок. 1545-1595) "Совершенное описание небесных сфер", где Диггс почти полностью перевел труд Коперника на английский язык.

В 1583 г. Англию посетил доминиканский монах Джордано Бруно, где он познакомился с теорией Коперника. Его горячую поддержку идей Коперника и представлений о бесконечном звездном космосе католические церковники сочли проявлением еретических отношений к церкви. В 1600 г. Джордано Бруно был сожжен на костре за ересь, а его страстная пропаганда новых представлений о Вселенной привела к тому, что католическая церковь предала теорию Коперника анафеме.

Первой книгой, которая познакомила широкий круг русских людей с учением Коперника стала работа Фонтенеля "Разговор о множественности миров", переведенная на русский язык в 1740г. Она в простой и занимательной форме знакомила с воззрениями Коперника, Бруно, Галилея.

Грандиозные успехи небесной механики (в конце XVII - начале XIXb.) вынудили католическую церковь снять запрет с книги Коперника, а вместе с ней и с произведений Галилея и Кеплера.

Величие созданной Коперником гелиоцентрической системы мира обнаружилось после того, как Кеплер открыл истинные законы эллипти­ческого движения планет, а Ньютон на их основе - закон всемирного тяготения. Леверье и Адамс на основании данных этой системы предсказали существование и теоретически определили местонахождение неизвестной планеты (Нептуна), а Галле, направив телескоп в указанную точку неба открыл ее.

Самым знаменитым сторонником системы Коперника был итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642), который первым применил телескоп для астрономических наблюдений. Огромное значение имели труды Галилея по механике - они во многом способствовали созданию непротиворечивой теории механики и тяготения. Галилей, пожалуй, больше чем кто-либо другой ответственен за рождение современной науки. Знаменитый спор с католи­ческой церковью занимал центральное место в философии Галилея, ибо он одним из первых объявил, что у человека есть надежда понять как устроен мир, и более того, что этого можно добиться, наблюдая наш реальный мир.

Галилей сделал открытия, полностью изменившие представление человека о Вселенной. Многое в этих открытиях противоречило учению Аристотеля и давало очевидные подтверждения правильности системы Коперника.

Галилей обнаружил на поверхности Луны горы, долины, - то есть то, что свойственно земным ландшафтам. Он увидел тысячи и тысячи звезд, слишком слабых, чтобы их можно было наблюдать без телескопа, причем Млечный Путь, как оказалось, состоит из множества звезд, а отнюдь не представляет собой некое атмосферное явление, как утверждал Аристотель. Наблюдая в телескоп планеты, Галилей заметил, что они предоставляют собой вполне различимые светящиеся диски, тогда как звезды и при самом большом увеличении остаются светящимися точками. Это означает, что звезды находятся на гораздо больших расстояниях от Земли, чем планеты.

Наблюдение замеченных на поверхности Солнца пятен помогло Галилею выяснить, что оно вращается вокруг своей оси. Получалось, что и Солнце совсем не идеальное эфирное тело, каким его считали до сих пор. Более того, если оно вращается вокруг своей оси, то и Земля может совершать подобное движение. Выяснилось также, что у Венеры наблюдается периодическая смена фаз, а это не находило объяснения в системе Аристотеля - Птолемея. Кроме того, Галилей в 1610 г наблюдал четыре спутника планеты Юпитер.

Наблюдения Галилея согласовывались с взглядами Коперника и, кроме того, являлись убедительным свидетельством против догмата о разделении мира на небо и Землю.

В своей знаменитой работе "Диалог о двух главнейших системах мира: Птолемеевой и Коперниковой", изданной в 1632г., он приводит в пользу истин­ности учения Коперника не только астрономические, но и механические доводы.

Опровергая аргументы Птолемея, направленные против утверждения о вращении Земли, Галилей приходит к открытию закона инерции и механического принципа относительности. Открытием Закона инерции было ликвидировано многовековое заблуждение Аристотелея о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Оказалось, что равномерное и прямолинейное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил. Это имело огромное, не только чисто научное, но и мировоззренческое значение. Как известно, к инерциальным системам отсчета  относятся покоящиеся (неподвижные) системы и системы, которые движутся относительно неподвижных равномерно и прямолинейно. Равноправность таких систем Галилей доказывалразличными опытами и логическими рассуждениями.

Именно Галилей впервые обратил внимание на относительность механического движения, сформулировав свой принцип относительности, согласно которому: "Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно".

Преследование инквизиции, затем унизительное судилище подорвали здоровье Галилея. Однако, несмотря на запрет инквизиции, за четыре года до смерти он тайно переправил в голландское издательство рукопись своей второй большой книги "Две новые науки". Именно эта работа дала рождение современной науке. Галилей по праву считается одним из основоположников опытного естествознания, т.к. им были впервые в истории науки сформулированы требования к научному эксперименту.

                     2.4. Кеплер и его законы движения планет

Вторым ученым, сыгравшим решающую роль в утверждении гелиоцентри­ческой системы, был Иоганн Кеплер (1571-1630). В 1600г. Кеплер, вплотную занявшись исследованием Марса, пришел к выводу: орбита Марса должна быть эллипсом.

Кеплер открыл три основных закона движения планет, которые так и называются - законами Кеплера. В современной формулировке они звучат так:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится
Солнце.

2. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени обращения.

3. Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Созданием своих законов Кеплер положил конец более чем двухтысячелетнему господству догматической веры в совершенство небес и идеи об идеальном круговом движении небесных тел как единственно возможном. Более того, Земли была окончательно "свергнута" со своего пьедестала в центре мироздания.

 

                       2.5. Закон всемирного тяготения Ньютона

На этом этапе развития естествознание находилось уже совсем близко от второй глобальной естественно-научной революции, для совершения которой "не хватало только" Ньютона.. Но основы механики для построения теории тяготения Ньютона уже были заложены Галилео Галилеем.

Исаак Ньютон (1643-1727) - выдающийся английский физик, механик, астроном и математик - сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, разработал (наряду с Лейбницем) дифференциальное и интегральное исчисления.

После многочисленных расчетов и уточнений, Ньютон приходит к твердому убеждению, что движением планет, Луны и всех тел, падающих на Землю, управляет одна и та же сила, известная под общим названием - тяготение. Прежде, чем дальше развивать свою теорию, Ньютон разработал  необходимый математический аппарат. Это фактически была совершенно новая область математики - математический анализ.

В книге   "Математические начала натуральной философии" им были сформулированы три основных закона движения, имеющие фундаментальное значение и в современной физике.

Законы механического движения Ньютона:

Первый закон: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят этого состояния.

Второй закон: произведение массы тела m на его ускорение а равно действующей на него силе F = m · а, а направление ускорения совпадает с направлением силы.

Третий закон: действию всегда соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.

Первый и второй законы Ньютона окончательно опровергли учение Аристотеля о силе и движении. Ньютон предельно ясно объяснил, что для поддержания движения сила не нужна. В его работах были определены и сами понятия силы, массы, инерции. Как следует из "Начал…" Ньютона, его динамические законы не только следуют из соответствующих кинематических законов Кеплера и Галилея, но и сами могут быть положены в основу всех трех кинематических законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея (закон инерции и закон свободного падения).

Именно Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел, с общими для них законами инерции, динамики, действия и противодействия, а также взаимного тяготения.

Последующие многочисленные наблюдения показали истинность законов Кеплера и закона всемирного тяготения Ньютона. Уже к концу первой половины XIX в. было установлено, что закон всемирного тяготения существует повсеместно в наблюдаемой области Вселенной. Ньютоновское тяготение поистине универсально. Открылись широкие возможности для развития научного подхода к исследованию Вселенной и ее составных частей на основе лишь немногих фундаментальных законов и взаимодействий, имеющих одинаковую силу на Земле, в научной лаборатории и в космосе.

Лишь один из аспектов теории казался неудовлетворительным: сила ньютоновского тяготения действовала по всей огромной Вселенной, однако, природа этой силы оставалась загадочной. Сам Ньютон упорно отказывался даже от попыток объяснить природу гравитационной силы. Он говорил, что пропорциональность этой силы произведению масс тяготеющих тел и обратному квадрату расстояния между ними:               F = - GmM/r² надо принимать как опытный факт. В дальнейшем выяснилось, что квадратичная зависимость силы от расстояния между телами осуществляется лишь в нашем трехмерном пространстве, т.е. закон всемирного тяготения носит фундаментальный характер, ибо затрагивает существо нашего мира.

Вторая глобальная естественно-научная революция, которую связывают с именем И.Ньютона, преобразовала все естествознание и представляла собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму, а от него в дальнейшем - к полицентризму.

 

                                   2.7. Рождение науки об электричестве.

Девятнадцатое столетие ознаменовалось огромными успехами в исследовании природы электричества и магнетизма. Первоначально электрические явления - искры, молнии, свойства лейденских банок накапливать заряд - считались совершенно не связанными с явлениями магнетизма, наблюдаемыми в минералах некоторых видов, в поведении стрелки компаса и т.д. Однако датский физик Эрстед (1777-1851) ифранцузский физик Ампер (1775-1836) продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым.

Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому неслучайно единица силы тока носит его имя - Ампер. С помощью своего учения о круговых токах, он сводит магнетизм к электричеству! Это действительно великое открытие. Ампер формулирует до сих пор не известный закон о взаимодействии токов. Более того, он высказывает следующую мысль: "Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов".

Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 г., когда вышел в свет его обобщающий труд "Теория электродинамических явлений, выведенная из опытов". В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов. Это один из основополагающих законов электродинамики.

Эстафета, принятая Ампером от Эрстеда, была передана в руки великого английского естествоиспытателя Майкла Фарадея (1791-1867). Он открыл явление электромагнитной индукции - возникновение тока в проводнике вблизи движущего магнита.

Исследуя диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях. Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представ­ляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль, как и сам магнит.

                       2.8. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом

Открытия, сделанные Фарадеем в области электромагнетизма, были развиты выдающимся английским математиком и физиком Максвеллом (1831-1879). В его теории электромагнетизма была установлена органическая связь электричества и магнетизма. Основываясь на идеях, высказанных ранее Фарадеем, Максвелл вводит понятие электромагнитного поля.

Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частица окружена полем -  невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой. Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой - напряженностью поля в этой точке.

Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия, еще одной формой, наряду с веществом, существования материи. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодейст­вующих посредством электромагнитного поля.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что электромагнитное поле может отрываться от источников, его порождающих, и распространяться в пространстве в виде т.н.   электромагнитных волн, причем скорость их распространения должна быть равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн.

Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны действи­тельно были открыты в 1888г. Генрихом Герцем (1857-1894). Он сумел осуществить передачу и прием электромагнитных волн очень большой длины - радиоволн. Сегодня мы имеем дело с целым набором электромагнитных волн, длина которых принимает значения от очень малых до очень больших значений. Все вместе они составляют электромагнитный спектр. Это и гамма-, и рентгеновские лучи, ультрафиолетовые излучения, видимый свет, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение. Излучения всех этих видов распространяются в вакууме со
скоростью света и имеет одну и ту же природу.

Трудно представить какую-либо волну без среды, в которой она могла бы распространяться. Звуковые волны распространяются в различных материальных средах: воздухе, воде, твердом теле. Поверхностные волны движутся по поверхности воды. В какой же среде распространяются электромагнитные волны?

Максвелл возродил старую идею о существовании эфира, заполняюще­го пространство, который и должен был служить носителем электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, рассматривалась как абсолютный критерий состояния покоя и отождествлялась с абсолютным пространством.

Вскоре были предприняты попытки экспериментального определения скорости Земли относительно эфира, но все они приводили к отрица­тельному результату. Эфир обнаружить не удавалось. Наиболее известны эксперименты американского физика Майкельсона (1852-1931). Постепенно становилось ясно, что никакой эксперимент не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира. Возникала еще одна проблема. Если законы механики верны во всех инерциальных системах отсчета, то для электродинамики Максвелла это правило как будто не подходит. Почему?

      2.9. Специальная теория относительности Эйнштейна

В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879-1955), служащий Швейцарского патентного бюро в Берне опубликовал работу, посвященную специальной теории относительности, которая разрешила проблемы электродинамики и эксперимента Майкельсона и окончательно разрушила непрочные основы классических понятий пространства и времени. Эта теория основывалась на двух постулатах.

Первый постулат - принцип относительности: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов.

Второй постулат теории Эйнштейна - скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат означает, что равномерное и прямолинейное движение такой лабораторной системы никак не отражается на результатах проводимых в ней опытов, если она не ускоряется и не вращается. Принцип относительности устранил различия в проявлении законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы отсчета и отбросил как ненужную идею о неподвижном эфире ньютоновского абсолютного пространства. Фундамент, на котором более двух столетий "покоилось" здание физики, был снесен одним ударом.

   Второй постулат означает, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях и равна 300 тыс. км/с. Казалось бы это противоречит здравому смыслу. Действительно, если космический корабль приближается к какому-либо источнику света со скоростью 100 тыс. км/с, и если свет от этого источника распространяется со скоростью 300 тыс. км/с, то тут здравый смысл подсказывает нам, что относительная скорость космического корабля и света, измеренная экипажем, должна быть равна 400 тыс. км/с. Однако, специальная теория относительности утверждает, что в этом случае наблюдатель определит скорость приходящего к нему света по-прежнему равной ЗОО тыс. км/с!    

Хотя выводы такого рода могут показаться абсурдными, они полностью согласуются с результатами опыта Майкельсона и неудачей всех остальных экспериментов, призванных продемонстрировать влияние относительного движения источника и наблюдателя на измеренную величину скорости света.

Вселенная устроена так, что все наблюдатели должны получить в результате своих измерений одну и ту же скорость света. Перед лицом не подлежащих никакому сомнению результатов, полученных в результате множества самых точных и сложнейших экспериментов, нам не остается ничего другого, как признать истинным вывод о постоянстве скорости света, хотя он и противоречит тому ограниченному опыту наших знаний, который именуется... "здравым смыслом".

Выводы из положений специальной теории относительности:

1. Сокращение длины. Как отмечал ранее один из крупнейших физиков- теоретиков Лоренц (1853-1928), движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Если космический корабль проносится с большой скоростью мимо находящегося в неподвижном состоянии наблюдателя, то этому наблюдателю длина корабля покажется короче действительно на величину, зависящую от скорости корабля. Чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным становится этот эффект, и если бы корабль мог двигаться точно со скоростью света, его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю.

2. Замедление времени. В быстро движущемся космическом корабле время течет медленнее, чем в лаборатории неподвижного наблюдателя. Если бы наблюдатель, находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей на большой скорости ракете, то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее его собственных. Если бы ракету можно было разогнать до скорости света, то для "покоящегося" наблюдателя время внутри нее остановилось бы.

Эффект замедления времени на борту ракеты касается буквально всего, включая процессы и даже биологические ритмы экипажа. Другими словами, с точки зрения земного наблюдателя члены космического корабля стареют медленнее, чем их космические двойники. Если один из двух близнецов совершит длительное космическое путешествие со скоростью, близкой к скорости света, то по возвращении на Землю он обнаружит, что оставшийся дома его брат стал гораздо старше его самого (парадокс близнецов). Эффект   замедления времени подтвержден многими экспериментами с космическими' лучами.

Из СТО следует также относительность одновременности: два события, одновременные в одной ИСО, оказываются неодновременными в другой ИСО.

В том же 1905г. была опубликована небольшая заметка Эйнштейна, где автор находит связь между массой и энергией. "Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии", - заключает Эйнштейн. Так, в науке появилось знаменитое соотношение:                                     Е = mс²     ,

где Е -  энергия покоящегося тела, m - его масса, с- скорость света в вакууме.

Ключевой момент специальной теории относительности состоит в том, что никакое тело с отличной от нуля массой нельзя разогнать до скорости света, так как для этого потребуется бесконечная энергия, и что никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе.был бы нарушен фундаментальный закон причинности: причина всегда   предшествует следствию. Во вселенной тогда нарушилась бы логическая связь событий: они стали бы абсолютно случайными и непредсказуемыми.

Мы знаем, что окружающий нас мир имеет три измерения. Принимая точку зрения Ньютона, мы представляем себе время как независимо существующий, не прекращающийся, ровно текущий поток. По Ньютону пространство и время – абсолютны, т.е. не зависят ни от чего, в том числе друг от друга и от материальных объектов и событий, которые в себя вмещают. Но СТО утверждает, что время и пространство – относительны, т.е. зависят друг от друга, от скорости движения систем отсчета. В 1907 г. немецкий математик Минковский (1864-1909) высказал предположение, что три пространственные и одна временная размерности тесно связаны между собой. Все события во Вселенной должны происходить в четырехмерном пространстве-времени.       

Эйнштейн быстро оценил преимущество пространственно-временного описания для специальной теории относительности. С тех пор законы природы записываются в четырехмерном виде.

Итак, наша Вселенная, по-видимому, четырехмерна.                            

Специальная теория относительности поистине произвела революцию в нашем понимании пространства, времени и Вселенной.

Но это была не единственная революция в физике начала XX в. Примерно в то же время в корне изменились представления о природе излучения и вещества. Это было  время становления квантовой теории или квантовой физики.

                                         2.10. Создание квантовой механики.

                                 Корпускулярно-волновой дуализм

Основанная на уравнениях Максвелла классическая теория излучения нагретых тел противоречила результатам экспериментов. Все попытки объяснить это с позиций классической физики оказались безуспешными.

Эти противоречия разрешил немецкий физик Макс Планк (1858-1947). В 1901 г. он высказал предположение, что энергия излучается малыми порциями - квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения. Связывающий эти величины коэффициент пропорциональности ныне называется постоянной Планка. Только после этого удалось построить согласующуюся с опытными данными теорию излучения, которая устранила абсолютно неприемлемую гипотезу (известную как ультрафиолетовая катастрофа), согласно которой все тела должны излучать в коротковолновом диапазоне бесконечную энергию.

В 1911 г. Эрнст Резерфорд (1871-1937) предложил модель строения атома, который ранее считался мельчайшей неделимой частицей.

Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах, обнаруживших, что при облучении твердых тел светом из них выбиваются электроны. При этом оказалось, что энергия вылетающих электронов зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности. Эйнштейн объяснил этот так называемый фотоэффект на основе квантовой теории, доказав, что энергия, необходимая для освобождения электрона зависит от частоты света (светового кванта), поглощаемого веществом.

Было доказано, что свет может вести себя и как частица, и как волна, т.е. обладает дуализмом. Одним из доказательств этого свойства света является интерференция. Интерференция света - это физическое явление, при котором два луча света накладываются друг на друга. При этом на экране возникает картина чередующихся темных и светлых полос. Интерференци­онную картину можно рассчитывать на основе как волновых свойств света, так и рассматривая свет как фотоны, т.е. как частицы. Из квантового описания следует, что в одних частях экрана (соответствующих светлым полосам) вероятность найти фотоны больше, а в других частях (темные полосы) - меньше.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий. На микроскопическом уровне, (т.е. когда речь идет о фотонах или элементарных частицах вещества) мы не можем точно предсказать результат конкретного эксперимента (например, указать на экране точку, в которую должен попасть фотон). Все что мы можем сделать, - это лишь рассчитать вероятность различных исходов опыта. И только при наличии очень большого количества частиц наши предсказания хода эксперимента обретают необходимую точность. Эта очень глубокая мысль предполагает принципиальную ограниченность наших возможностей предсказывать развитие событий.

Ясность в эту специфическую особенность квантовой теории в 1927г. внес немецкий физик Гейзенберг (1901-1976), автор знаменитого принципа неопределенностей. Согласно этому принципу, невозможно одновременно осуществить точное измерение двух дополняющих друг друга характеристик частиц, например, ее скорости и координаты. Принцип Гейзенберга фундаментален и очень важен. Гейзенберг наглядно объяснял свой принцип на примере гипотетического микроскопа. Если бы мы захотели установить координату электрона, точное значение импульса которого уже известно, то для того, чтобы увидеть электрон и определить его положение, нам пришлось бы осветить его, т.е. направить на него пучок фотонов. Однако фотоны, сталкиваясь с электроном, передадут ему часть своей энергии и тем самым   изменят его импульс на неопределенную величину. Таким образом, мы измерим точную координату частицы, но ее импульс окажется неопределенным.

В дальнейшем был достигнут существенный прогресс в понимании природы частиц и широком приложении квантовой теории к различным областям физики. В результате синтеза квантовой теории и специальной теории; относительности возникла квантовая электродинамика - теория электромаг­нитных взаимодействий, которая рассматривает процесс взаимодействия заряженных частиц как обмен фотонами.

Создание специальной теории относительности и квантовой теории-
это два революционных переворота в физике начала XX в., которые в корне
изменили наши представления о пространстве, времени, излучении и
веществе.

           2.11. Теория гравитационного поля Эйнштейна.

                       Общая теория  относительности

В 1916 г. Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относитель­ности, совершив еще один переворот в физических представлениях на сей раз о природе гравитационного взаимодействия. "Фундамент" этой теории был "заложен" в 1907 г., когда Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, Поясним сущность этого принципа.

Термин "масса", относящийся ко второму закону Ньютона, имеет смысл инертной массы - меры сопротивления тела любому изменению состояния его движения. Но понятие "масса" в ньютоновском законе всемирного тяготения имеет другой смысл - это тяготеющая масса или гравитационная масса. Еще Галилей утверждал, что в гравитационном поле все тела, независимо от их массы, приобретают одинаковые ускорения. Отсюда вытекает равенство инертной и гравитационной масс. Сам факт их равенства и то, что все тела падают в гравитационном поле с одинаковым ускорением, называют иногда слабым принципом эквивалентности.

Указанное свойство гравитационных полей дает возможность установить существенную аналогию между движением тел в гравитационном поле и движением тел, не находящихся в каком-либо внешнем поле, но рассматриваемых с точки зрения неинерциальной системы отсчета. Свойства движения в неинерциальной системе отсчета такие же, как ив инерциальной системе при наличии гравитационного поля. Движение в неинерциальной системе отсчета эквивалентно некоторому гравитационному полю. Это обстоятельство называют принципом эквивалентности. Так, если вы находитесь в закрытой кабине лифта (пример Эйнштейна), то вы не в состоянии отличить влияние тяготения от эффектов ускоренного движения. В такой закрытой кабине невозможны никакие эксперименты, которые позволили бы вам отличить явления, связанные с тяготением, от явлений, характерных для ускоренного движения. Внутри небольшой замкнутой кабины эффект гравитации и ускоренного движения неразличимы.

Одно из следствий принципа эквивалентности - отклонение лучей света (фотонов) вблизи тяготеющих масс, а свет, испускаемый тяготеющей массой, должен испытывать красное смещение. Это было подтверждено экспериментально.

Другим ключевым моментом в общей теории относительности было понятие кривизны пространства-времени. Эйнштейн предположил, что в присутствии массивных тел должно искривляться все пространство-время, (а не только пространство) и что лучи света и частицы будут двигаться в пространстве-времени самым коротким путем - по геодезическим линиям. (Геодезическая линия на сфере - это дуга). Иными словами, тяготение есть следствие геометрических свойств пространства-времени вблизи массивных тел. Чем массивнее тело и выше его плотность, тем сильнее искривляется пространство около него и сильнее замедляется время. Крайний случай, т.н. «черная дыра», вокруг которой пространство замыкается само на себя, а время останавливается.

А.Уилер, американский физик-теоретик дал меткую характеристику общей теории относительности: "Вещество говорит пространству, как тому искривляться, а пространство говорит веществу, как тому двигаться".

Общая теория относительности в корне изменила наши представления о пространстве, времени, о Вселенной. Она привела к отказу от какого бы то ни было центризма вообще. Метагалактика - или вся наша наблюдаемая астрономическая Вселенная как единое целое - стала описываться однородной и изотропной безграничной релятивистской космологической моделью.