Философские аспекты специальной и общей теории относительности, квантовой механики и космологии

В первой половине XX века произошли революционные изменения в теоретическом фундаменте науки. В числе важнейших новшеств — теория относительности, квантовая механика и соответствующая им космология.

Теория относительности — это физическая теория пространства и времени. Альберт Эйнштейн (1879–1955) впервые изложил ее в 1905 году.

Он пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы мчался со скоростью света вдогонку за световой волной. Для ответа на этот вопрос Эйнштейн выдвинул парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова.

Теория, описывающая свойства пространства-времени без учета фактора тяготения, называется специальной или частной теорией относительности, или просто теорией относительности. Физические явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими и проявляются при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме. Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения исследуются в общей теории относительности, называемой также теорией тяготения Эйнштейна, которая создана в 1915–1916 годах.

В основе теории относительности лежат 2 постулата:

1) принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета (согласно принципу относительности, любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе,

находящейся в состоянии покоя, и в системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения);

2) принцип постоянства скорости света в вакууме, ее независимости от скорости движения источника света.

На основе этих постулатов выводятся следующие эффекты специальной теории относительности:

— любые действия осуществляются со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме;

— события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета не одновременны событиям в другой инерциальной системе отсчета;

— в теле, движущемся с околосветовой скоростью, течение времени замедляется, а продольные размеры тел сокращаются;

— масса тела растет по мере приближения его скорости к скорости света;

— полная энергия движущегося тела определяется по формуле E = mc².

Все эти релятивистские эффекты подтверждены на опыте.

Общая теория относительности (теория тяготения Эйнштейна) отвечает на вопрос, поставленный еще И. Ньютоном: каков механизм гравитационного взаимодействия между телами и что является переносчиком этого взаимодействия. Ответ Эйнштейна состоит в следующем: посредником гравитационного взаимодействия выступает «геометрия» пространства–времени. Любое массивное тело искривляет пространство–время вокруг себя, изменяет его метрические свойства, влияя тем самым на движение тел, попадающих в искривленное пространство. Эта теория стала основой принципиально новых моделей вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) вселенной.

Теория относительности опровергла представления об абсолютном пространстве и времени (абсолютной инерциальной системе отсчета). Она показала, что результаты измерений пространственно-временных свойств объекта зависят от положения наблюдателя; что причина оказывает свое действие не мгновенно, со скоростью не большей, чем скорость света; что одновременность событий во вселенной не абсолютна, а относительна к положению наблюдателя.

Квантовая механика — теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц. В квантовой механике частицы выступают как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Таким образом, имеется корпускулярно-волновой дуализм, который потребовал нового подхода к описанию состояния физических систем и их изменения.

Согласно квантовой механике, дополнительные физические величины (например, координата и импульс), характеризующие физическую систему, не могут одновременно принимать точные значения. В этом состоит смысл принципа неопределенности.

Характерная черта квантовой теории — дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т. д. Напротив, в классической теории все эти величины могут изменяться лишь непрерывно.

Фундаментальную роль в квантовой механике играет постоянная Планка, называемая также квантом действия (ћ). Это один из основных масштабов природы, разграничивающий области явлений, которые можно описывать классической физикой, от областей, описываемых квантовой теорией. Классическая механика применяется тогда, когда в условиях данной задачи физические величины размерности действия значительно больше постоянной Планка.

Квантовая механика с ее своеобразными законами и принципами повлияла на философию природы, гносеологию и философию науки. Она изменила наши представления о границах применимости классической механики, об объективности исследования, о характере причинно-следственных связей в микромире.

Космология — учение о вселенной как едином целом, основанное на результатах исследования наиболее общих свойств (однородности, изотропности и расширения) той части вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теория тяготения Эйнштейна и зарождением внегалактической астрономии в 20-е гг. XX века. На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии вселенной, кривизне пространства-времени и возможной замкнутости пространства. Второй этап начался с работ А. А. Фридмана (1922–1924), в которых было показано, что искривленное пространство не может быть стационарным, что оно должно расширяться или сжиматься. Эти результаты получили признание после открытия красного смещения (Э. Хаббл, 1929). На первый план выступили проблемы механики вселенной и ее «возраста» (длительности расширения). Началом третьего этапа послужило создание модели «горячей» вселенной (Г. Гамов, 2-я половина 40-х гг.). Основное внимание переключилось на физику вселенной, на состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было очень необычным.

В современной космологии наиболее распространена модель горячей вселенной, согласно которой в расширяющейся вселенной на ранней стадии развития вещество и излучение имели очень высокую температуру и плотность. Расширение привело к их постепенному охлаждению, образованию атомов, а затем (в результате гравитационной конденсации) — протогалактик, галактик, звезд и других космических тел. Наблюдаемое реликтовое излучение с температурой около 3ºК — это «остывшее»

излучение, сохранившееся с ранних стадий развития вселенной. К важнейшим, еще не решенным проблемам космологии относятся проблемы начального сверхплотного состояния вселенной (так называемой сингулярности) и конечной фазы ее существования (возможности возвращения в состояние сингулярности).

Общие выводы космологии имеют важное общенаучное и философское значение. Они связаны с философскими вопросами о происхождении мира и человека, о бесконечности мира и перспективах его существования.