[вернуться к содержанию сайта]
Был мир земной кромешной тьмой окутан.
Да будет свет – и вот явился Ньютон.
Но Сатана недолго ждал реванша:
Пришёл Эйнштейн. И стало всё как раньше.
На рубеже XIX и XX веков наука претерпела коренной перелом: на смену классической физике пришла неклассическая, включающая теорию относительности и квантовую механику. Их приход был вызван назревшим в физике кризисом от неспособности науки той эпохи, основанной на механике Ньютона, объяснить ряд явлений. Так, специальная теория относительности (СТО) совершенно изменила наши представления о пространстве и времени, придав им относительный смысл: абсолютные пространство и время уже не существовали как отдельные сущности – есть только единое пространство-время. Из-за этого многие выводы СТО кажутся нам, привыкшим к законам классической механики, абсурдными. Перечислим эти выводы:
1) Длина тела зависит от того, измерена ли она в движении или в покое тела.
2) Время течёт с разной скоростью для неподвижного и движущегося наблюдателя.
3) Масса и энергия тела эквивалентны. Поэтому движущееся с большой скоростью тело прибавляет в весе: масса стремится к бесконечности с приближением к скорости света.
4) Полная скорость тела не равна векторной сумме скоростей его переносного и относительного движений.
5) Скорость света – предельная скорость движения тел и сигналов.
Эти выводы выглядят дико, поскольку противоречат нашему ежедневному опыту и законам механики. Но, как утверждает СТО, все эти эффекты проявляются лишь при огромных скоростях, сравнимых со скоростью света. Вот почему в обычной жизни мы с ними не сталкиваемся. Зато при больших скоростях, в ускорителях, эффекты становятся весьма заметны.
Что же привело к столь радикальному пересмотру классической механики? Началось всё в 1881 г. с опыта Майкельсона. В опыте делалась попытка установить скорость движения Земли в эфире – среде, в которой согласно электродинамике распространялся свет. Для этого сравнивали времена движения луча света в интерферометре вдоль и поперёк скорости движения Земли. Понятно, что скорость света в эфире вдоль и поперёк получилась бы разная и разными бы вышли времена движения. Но опыт обнаружил равенство времён, что говорило о ложности теории эфира и основанной на нём максвелловской электродинамики.
Однако учёные уже настолько уверовали в электродинамику, что предпочли видоизменить механику, дабы подогнать результат опыта под электродинамику. Так, Лоренц и Фитцджеральд предположили, что все тела, и в том числе плечи интерферометра сокращаются в направлении своего движения так, что компенсируют уменьшение скорости луча в данном направлении, отчего времена оказываются равными. Это позволяло сохранить теорию эфира, но приводило к невозможности его обнаружить (компромиссное решение, как у Тихо Браге). Это лоренцево сокращение и есть один из перечисленных парадоксальных результатов.
Более радикальное решение в 1905 г. независимо предложили Пуанкаре и Альберт Эйнштейн, которые совершенно отказались от эфира и связанной с ним абсолютной системы отсчёта, признав все инерциальные системы равноправными. Это и есть первый постулат теории относительности. Он соответствует классическому принципу относительности, введённому Коперником, Галилеем и Ньютоном. Из этого принципа следовал правильный результат опыта Майкельсона. Раз нет выделенной системы отсчёта, то Землю можно считать покоящейся и все направления будут равноправными, значит и лучи света будут двигаться с равной скоростью. Почти так и Галилей иллюстрировал принцип относительности на примере движения летящих в движущемся корабле предметов. Однако второй постулат Эйнштейна идёт вразрез с классической механикой Галилея и Ньютона. Он гласит, что скорость движения света, измеренная в любой системе отсчёта, всегда одна и та же, независимо от движения источника света и наблюдателя. Это всё равно как кинуть мячом из окна поезда и, измерив скорость мяча относительно поезда и относительно земли, получить одинаковый результат.
Эти два небольших постулата привели к большим проблемам в физике. Именно из них следуют все те абсурдные с точки зрения мира привычных нам вещей выводы теории относительности, что были перечислены. В итоге физика претерпела коренные изменения и теперь для расчётов процессов, идущих на больших скоростях, успешно пользуются формулами не классической механики, а теории относительности, казалось бы везде подтверждаемой. Так было вплоть до недавнего времени. В последние лет десять стал назревать очередной кризис в науке, и в данный момент мы живём в условиях не только финансового, но и научного кризиса – они часто сопутствуют друг другу. В фундаментальной физике царит застой, связанный с тем, что неклассическая физика, столь успешная на ранних этапах развития, ныне исчерпала свои возможности. И грядёт новый переворот в науке. Мы стоим на пороге новой научной революции, масштабами сопоставимой с революцией Коперника.
Ныне учёные всё чаще обращают взоры к столь простой и ясной классической картине мира. Наука, развивающаяся по спирали, делает новый широкий виток, возвращаясь к прежним классическим идеям, но на новом уровне. В самом деле, рассмотрим противоречия, приведшие к кризису и созданию теории относительности. Суть их в следующем: электродинамика Максвелла не согласовывалась с классической механикой. Говоря научным языком, уравнения Максвелла не ковариантны относительно преобразований Галилея. Поэтому, либо максвелловская электродинамика ложна, либо ошибочна классическая механика. Эйнштейн видел выход в отказе от классической механики, привычной нам кинематики, и в принятии релятивистской механики теории относительности. В СТО справедливы преобразования Лоренца, в отношении которых уравнения Максвелла уже ковариантны. То есть искусственно была построена механика, позволявшая подогнать уравнения Максвелла к реальности.
Но был и другой, ныне почти забытый выход, куда более естественный. Если максвелловская электродинамика, насчитывавшая к 1905 г. всего 15 лет, противоречила классической механике, проверенной веками, не проще ли допустить, что ошибочна как раз электродинамика – её и надо менять? Такой выход тем более естественен, что Максвелл строил свою теорию во многом умозрительно, произвольно вводил абстрактные понятия полей и оперировал с ними чисто аналитически: многие жаловались, что электродинамика Максвелла совершенно невразумительна. Наконец, электродинамика Максвелла основывалась на эфире. Но ведь опыт Майкельсона отверг именно эфир, а значит и основанную на нём электродинамику Фарадея и Максвелла. При этом опыт Майкельсона подтвердил классический механический принцип относительности движения – по сути классическую механику и преобразования Галилея. Так с чего тогда отвергать привычную механику и сохранять электродинамику, если опыт говорит об обратном? Итак, наиболее естественный выход был бы в построении новой электродинамики.
Однако единственным, кто пошёл по этому пути, был швейцарский физик Вальтер Ритц, учившийся, кстати, в одной группе с Эйнштейном в цюрихском политехе. Ровно век назад, в 1908 г., Ритц построил новую электродинамику, отличную от максвелловской и согласующуюся с классической механикой. Эта электродинамика восходит к теориям Ампера, Вебера и Гаусса. В основе её лежит следующая простая идея: свет и электрические воздействия распространяются от источника со скоростью равной векторной сумме скорости света в вакууме и скорости источника. Этот принцип был назван баллистическим, а теория – Баллистической Теорией Ритца (БТР) в силу простой аналогии. Движение света сравнивалось с полётом снаряда: подобно тому, как движение орудия придаёт дополнительную скорость выстрелянному снаряду, так же источник сообщает добавочную скорость испущенному свету.
Поэтому электродинамика Ритца удовлетворяет классическому принципу относительности и даёт простое объяснение опыту Майкельсона. Ритц также предложил механизм, лежащий в основе электрического взаимодействия – электрическое воздействие передаётся посредством испускаемых элементарными зарядами мельчайших частиц-реонов, вылетающих со скоростью света и чисто механически заимствующих скорость заряда. Используя это простое положение, Ритц не только количественно и качественно объяснил все явления электродинамики, но и дал наглядное механическое объяснение электрическому, магнитному и гравитационному полям. Два последних оказались лишь частными проявлениями электрического. В этом и состоит основное отличие науки классической от неклассической. Если классическая предлагает всем явлениям наглядные механические объяснения, то неклассическая даёт крайне туманные, мистические, иррациональные, абстрактные, не дающие чётких наглядных представлений и описывает всё исключительно посредством сложного матаппарата.
Покажем, в чём основная разница классической и неклассической физики при объяснении экспериментов. Скажем, в качестве одного из подтверждений СТО приводят так называемый опыт Кауфмана (1901), в котором было впервые обнаружено увеличение массы электрона с ростом скорости. В опыте измерялось отклонение пучка постоянным электрическим полем в зависимости от скорости электронов. По отклонению искали ускорение, сообщаемое электрической силой электрону. На высоких скоростях ускорение получалось меньше ожидаемого в прежней электродинамике и механике. По второму закону Ньютона a=F/m. Спад ускорения с ростом скорости был истолкован как результат роста массы электрона. То есть пошли по пути отказа от классической механики и пришли к релятивистской зависимости массы от скорости. Но с тем же успехом можно было истолковать спад ускорения как следствие снижения электрической силы, т.е. сохранив механику, отказаться от максвелловской электродинамики, дающей постоянную величину силы. Это было тем более естественно, что подвижные и неподвижные заряды взаимодействуют по-разному, как видно из взаимодействия проводников с током, чего нет, когда в проводниках нет движения зарядов. Такое изменение силы со скоростью легко объясняет БТР. В самом деле, раз сила взаимодействия двух зарядов складывается из ударов частиц-реонов, испущенных со скоростью света одним зарядом и ударившихся в другой (подобно тому как сила давления складывается из ударов молекул), то при движении одного заряда сила изменится, т.к. изменится частота ударов и скорость ударяющих частиц: так же как давление на поршень меняется при его движении навстречу газу и против. Так БТР объясняет изменение электрической силы и магнитную силу, возникающую как не скомпенсированная добавка силы электрической при движении.
Далее рассмотрим эксперимент, доказавший растяжение времени с увеличением скорости. Такой эффект был экспериментально обнаружен при исследовании распада частиц космического излучения – мюонов. Как оказалось, они проходили в атмосфере Земли гораздо больший путь L, чем способен пройти мюон за время его жизни t, даже если он летит с предельной скоростью V равной по СТО скорости света. По избытку величины L=Vt был сделан вывод о справедливости эффекта растяжения времени для частиц, движущихся с большой скоростью. Но с позиций классической механики избыток пути L проще объяснить не растяжением времени, а огромной скоростью частиц V, многократно превышающей световую. Ведь в классической механике нет ограничения на скорость. И точно, если учесть огромные энергии частиц космических лучей и пользоваться классической формулой для оценки их энергии Е=mV2/2, то найдём, что их скорости многократно превосходят скорость света.
И вывод об эквивалентности массы и энергии возникает лишь в рамках СТО. С точки зрения классической механики масса ускоряемой частицы не меняется, а кажущееся увеличение её массы в опыте Кауфмана это лишь следствие уменьшения силы воздействия на частицу, огромная же энергия частиц не говорит о выросшей по формуле E=mc2 массе, а лишь об огромной их скорости, которая оказывается также в соответствии с формулой E=mV2/2. Это подтверждают и прямые расчёты скорости частиц в ускорителях, если поделить длину ускорительного кольца на период ускоряющего поля. В качестве примера эквивалентности массы и энергии часто приводят ядерные реакции, где часть массы частиц исчезает, обращаясь в энергию. Однако в ядерном взрыве энергия возникает не из массы – выделившаяся энергия с точки зрения классической физики – это просто освободившаяся внутренняя энергия связи нуклонов в ядрах. Мы же не говорим, что в случае взрыва обычной бомбы её химическая энергия образовалась из массы реагентов. Исчезновение массы тоже мнимое – "теряемая" масса просто перестаёт обнаруживаться приборами. Так же при взрыве простой бомбы мы могли бы посчитать, что взрывчатое вещество исчезло, тогда как в действительности оно перешло лишь в невидимую газообразную фазу – сгорело. Аналогично выгорает и ядерное горючее в реакторах и бомбах. Как видим, релятивистские эффекты можно объяснить не только в рамках теории относительности, но и в рамках классической механики, причём зачастую проще и убедительней. А ряд эффектов – некоторые космические феномены, несоответствия экспериментальных и теоретических радиолокационных данных в солнечной системе и прямые измерения скорости частиц космического излучения – находят объяснение только в рамках БТР.
Но это что касается СТО, а в 1916 году Эйнштейн завершил создание общей теории относительности (ОТО), которая расширила принцип относительности на случай ускоренно движущихся систем. И стало невозможно уже определить не только скорости, но и ускорения тел безотносительно к чему-либо. В основе общей теории относительности лежит постулат об эквивалентности гравитационной и инертной массы тела. Их равенство мы наблюдаем в форме открытого ещё Галилеем равенства скоростей падения тел разной массы, поскольку Земля сообщает всем телам одно и то же ускорение. Эйнштейн пошёл дальше и утверждал не просто равенство этих масс, а их эквивалентность. Иными словами, по Эйнштейну невозможно различить, находится ли тело в поле тяготения или в движении с ускорением. Никакие эксперименты не могут различить эти два состояния. Объяснить такую эквивалентность можно, лишь предположив, что массы искривляют правильное евклидово пространство. Эйнштейн совместно с Марселем Гроссманом дал аналитическое описание этого искривления. А поскольку согласно СТО пространство и время не существуют раздельно, а составляют единое четырёхмерное пространство-время, то соответствующие искажения претерпевает и время. Эффекты, вызванные искажением пространства и ритма времени вблизи тяготеющих тел, действительно были обнаружены экспериментально вскоре после создания теории относительности. Это, казалось бы, уже окончательно должно было доказать её справедливость.
Но тот же Вальтер Ритц ещё в 1908 г., задолго до Эйнштейна, дал объяснение некоторым из этих явлений с позиций классической физики. Одним из первых подтверждений ОТО было объяснение Эйнштейном смещения перигелия Меркурия. Орбита Меркурия медленно поворачивается в направлении орбитального движения. Классическая механика как будто не могла объяснить это явление. И всё же Ритц объяснил его ещё в 1908 г., предположив, что сила тяготения имеет электромагнитную природу и потому при взаимном движении тел меняется, подобно изменению электрической силы при движении зарядов. Так Ритц с позиций классической механики дал точное количественное и качественное объяснение векового смещения перигелия Меркурия, и предсказал верные смещения для Земли и Венеры.
Другой результат, подтвердивший теорию относительности – искривление лучей света вблизи Солнца – эффект реально обнаруженный А. Эддингтоном и находящийся в количественном согласии с теорией относительности. Классическая механика дала бы в два раза меньшее отклонение лучей света. Но если принять БТР, механика даст уже большее отклонение за счёт изменения силы тяготения, действующей на луч света, движущийся с большой скоростью и состоящий, как показал Ритц, из частиц, притягиваемых Солнцем.
Наконец, третий подтверждённый вывод ОТО – различие скорости хода часов на различной высоте. Это явление наблюдалось при помощи атомных часов, которые доказали правоту Эйнштейна. Однако и это в действительности может быть объяснено в рамках классической физики. Дело в том, что хоть атомные часы и являются пока самыми точными, никто не может поручиться, что они отражают реальный ход времени, и что гравитация не влияет на их точность. Так, если двое маятниковых часов поместить на разной высоте над землёй, то более низкие ощутимо уйдут вперёд. Но ведь это не доказывает, что время течёт с разной скоростью на разной высоте. Так и атомные часы подвержены влиянию гравитации – ведь на частоту атомных переходов, как известно, влияют электрические и магнитные поля. Так почему бы и гравитационному полю, тем более если оно электромагнитной природы, не влиять на частоту атомных переходов, нарушая точность хода атомных часов?
Одно из важнейших следствий общей теории относительности – современная космология, утверждающая рождение Вселенной в результате Большого Взрыва и постоянное её расширение. Эта концепция не только возвращает нас к библейским мифам о сотворении мира, но и отвергает всё то, за что боролись такие учёные как Бруно, Кеплер, Ньютон, Циолковский, утверждавшие бесконечность и вечность Вселенной. Стоит сказать, что все эффекты, якобы подтверждающие неклассическую космологию, легко выводятся качественно и количественно в рамках классической механики и теории Ритца. Именно БТР позволяет предсказать правильные значения постоянной Хаббла и температуры реликтового излучения.
Итак, к объяснению явлений природы существует два подхода: классический – наглядный, чёткий, рациональный, механико-материалистический и неклассический – туманный, требующий введения сложных абстрактных понятий и поддающийся лишь аналитическому описанию. Оба подхода часто дают эквивалентные результаты, а порой классический имеет даже превосходство. Однако вот уже сто лет как в науке господствует неклассическая физика. Это напоминает ситуацию с борьбой геоцентрической и гелиоцентрической систем мира: обе системы давали сходные результаты, но гелиоцентрическая система критиковалась и изгонялась из науки, хотя именно коперникова система была более простой и естественной. Но авторитет Аристотеля и официальная церковь мешали развитию гелиоцентрической системы, как ныне авторитет Эйнштейна и догматичная официальная наука мешают приходу новой классической картины мира, всеми правдами и неправдами выгораживая неклассическую. Однако вся история науки показывает, что рано или поздно в периоды кризисов более совершенные и красивые научные концепции сменяют устаревшие, туманные и абстрактные. Поэтому недалёк тот день, когда в науке грянет новая научная революция, подобная той, что произвёл Коперник, Галилей и Ньютон. Тогда стихотворение обрастёт ещё парой строк.
С.Семиков
Дата установки: 23.12.2008
[вернуться к содержанию сайта]
