2.1.5. Накратко за теорията на относителността

Нютоне,  прости ми. Навремето ти намери онзи единствен път, който бе предела на възможното, за човек с твоя велик ум и творческа сила.                        

А. Айнщайн

Още в първата си публикация по теорията на относителността – „Към електродинамиката на движещите се тела“, Айнщайн отбелязва, че тази теория се основава на два принципа, приемани за изходни постулати.

Първият постулат е обобщение на принципа на относителността на Галилей за всички физически процеси. Вторият постулат изразява принципа за постоянството на скоростта на светлината.

Като следва философската си концепция, че теорията трябва да произтича от опита,  Айнщайн поставя светлината в особено положение – канонизира я, приемайки, че тя има винаги една и съща скорост спрямо произволни движещи се тела. Мисълта за такова специално положение на светлината дотолкова завладява Айнщайн, че той я издига в закон за постоянството на скоростта на светлината, формулиран от него в работата му „За принципа на относителност“: „…Законът за постоянството на скоростта на светлината  във вакуум трябва да е в сила за движещи се един спрямо друг наблюдатели така, че един и същ светлинен лъч да има една и съща скорост спрямо всички тези наблюдатели.

Този закон става най-важното основание за разработването на специалната теория на относителността (СТО).

Трябва да се отбележи, че днес отношението на учените в света към СТО е двойствено. По-голямата част от тях считат специалната теория на относителността за съвременна физическа теория на пространство-времето. Другата част се отнасят крайно отрицателно към СТО, считайки погрешен закона за постоянството на скоростта на светлината и преобразованията на Лоренц, които се използват в качеството на математическа основа на тази теория.

Двата постулата, лежащи в основата на СТО, са несъвместими, тъй като съгласно принципа на относителността на Галилей, един и същ светлинен лъч не може да има една и съща скорост спрямо наблюдатели, движещи се един спрямо друг.

Айнщайн упорито търси изход от създаденото положение и го намира в преразглеждането на най-важните положения на класическата физика – абсолютността на пространството и времето.

Опирайки се на геометрията на Риман и Лобачевски, Айнщайн въвежда понятието относителност на пространството и времето, под което се разбира изменение на размерите на едно тяло (пространството) и хода на времето в различни отправни системи. Т.е., ако пространството и времето са относителни, размерът на единицата за дължина (например,  метър) и дължината на единицата за време (например, секунда) в подвижна и неподвижна отправна система ще имат различна големина.

В своя труд „Какво е това теория на относителността?“ Айнщайн отбелязва, че принципите на относителността и за постоянството на скоростта на светлината са непримирими,  но „специалната теория на относителността е успяла да ги примири, с цената на видоизменение на кинематиката,  другояче казано, с цената на изменение на физическите представи за пространството и времето“.

Е,  как да не си спомним тук шеговитото стихотворение от неизвестен автор.

Светът потънал бе изцяло в тъмнина.

Тогава рече Бог: „Да бъде светлина!“

 И дойде Нютон!

Но скоро дяволът реванш дочака:

Дойде Айнщайн и всичко пак потъна в мрака.

В специалната теория на относителността Айнщайн обосновава новата кинематика, на базата на относителността на пространството и времето, благодарение на което успява да подчини издигнатия от него закон за постоянството на скоростта на светлината, на принципа за относителност.

Освен това, в специалната теория на относителността Айнщайн успява да установи органична връзка между пространството и времето и да ги обедини в единен пространствено – времеви континиум – „пространство-време“. Оказва се, че за описването на физическите процеси е необходимо използването на четиримерно пространство-време, в което положението на точката се определя от три пространствени координати X, Y, Z и времева координата ct,  където с = 300 000 km/s е скоростта на светлината във вакуум. Геометричните свойства на такова пространство-време се описват в геометрията на Евклид.

Това твърдение на специалната теория на относителността не предизвиква противоречия от страна на учените.

Разработвайки специалната теория на относителността, Айнщайн се замисля над това,  как да постави въпросите за гравитацията върху новата научна база, т.е. как да разработи теория на гравитацията (привличането). Такава теория той разработва в общата теория на относителността (ОТО),  наречена още Теория на гравитацията.

Айнщайн формулира закона за всеобщото привличане по следния начин: движението на масите се предизвиква от изкривяването на пространството, а изкривяването на пространството се предизвиква от намиращата се в него материя.

Айнщайн заменя безкрайната „плоска нютонова“ Вселена с безгранична, но крайна Вселена. Крайното пространство по необходимост трябва да бъде затворено и изкривено,  подобно на всяка затворена повърхност.

Съгласно теорията на гравитацията, геометричните свойства на пространство-времето зависят от разпределението в пространството на привличащите се тела и тяхното движение. Също както около движещи се електрически заряди възниква електромагнитно поле, така и в пространството около всяко тяло възниква поле на привличане.

Цялата безгранична Вселена е запълнена с тела – както гигантски звезди, така и най-дребни частици космически прах. Масите на тези тела (големината на масата им, тяхното взаимно положение и относително движение) създават полета на привличане –  гравитационни полета, които съществуват и се изменят в пространството и времето. От друга страна,  свойствата на тези полета налагат незаличим отпечатък върху онова пространство и  време, в което съществуват. Привличащите се тела изкривяват четиримерния свят на пространство-времето, в който те се движат. На свой ред, това изкривено пространство-време-поле на привличане определя движението на телата, техните траектории и скорост.

Получава се тясна взаимовръзка: телата раждат поле, полето управлява движението и поведението на телата.

Геометрията на такъв изкривен четиримерен свят вече не може да е евклидова.

По такъв начин телата, създаващи гравитационните полета, „изкривяват“ реалното тримерно пространство и по различен начин изменят хода на времето в различните му точки. Така се оказва възможно движението на телата в поле на привличане да се разглежда като движение по инерция, но в изкривено пространство-време.

Обобщавайки написаното дотук, можем да кажем, че Айнщайн за пръв път показва дълбоката взаимовръзка на абстрактното геометрично понятие кривина на пространство-времето и физическите проблеми на гравитацията. Той успява да представи гравитационното поле чрез кривината на четиримерното пространство-време.

Със своя изключителен труд за теорията на относителността Айнщайн разкъсва оковите,  сковаващи механиката. Теорията на относителността не отхвърля механиката на Нютон. Тя й отрежда по-скромно място в науката, отнасящо се за движения,  които са бавни, в сравнение със скоростта на разпространение на светлината.

Въз основа на теорията си, Айнщайн предсказва два неизвестни по-рано ефекта – изкривяване на траекторията на светлинен лъч в гравитационно поле и намаляване на честотата на светлината, минаваща близо до големи маси, като обяснява странностите в отместването на перихелия на Меркурий. Теорията на Нютон не може да обясни тези ефекти. След експерименталното потвърждение на посочените от Айнщайн ефекти, общата теория на относителността получава  всеобщо признание.

„Създаването на ОТО ми се струваше тогава, а и сега, най-великото достижение на човешкото мислене в изучаването на природата, поразително съчетание на философска дълбочина, физическа интуиция и математическо изкуство“ – пише един от основателите на квантовата механика, Макс Борн.

В теорията на относителността материалната среда, взаимодействаща с привличащите се тела, е самото Световно пространство. То поема някои (но съвсем не всички) функции на предишния ефир. След като максуеловото понятие за поле е пренесено от Айнщайн и върху гравитацията, физическите полета поемат задължението за предаване на действието. Необходимостта от предишния ефир изчезва. С появата на теорията на относителността полето става първична физическа реалност, а не следствие от някаква друга реалност.

Самото свойство еластичност, което е толкова важно за ефира, се оказва свойство на всички материални тела, свързани с електромагнитното взаимодействие между частиците. Казано с други думи, не еластичността на ефира е основа на електромагнетизма, а електромагнетизмът служи за основа на еластичността въобще.

Еластичните свойства на „празното“ пространство се описват от десетте, така наречени, вакуумни уравнения на Айнщайн, които не съдържат никакви константи и са записани в криволинейни координати. По-късно акад. Я. Б. Зелдович изказва следното предположение по повод еластичността на пространството: „…Вакуумните уравнения на Айнщайн описват еластичността на пространството. Възможно е тази еластичност изцяло да  се определя от ефектите на поляризация на вакуума“. Както показа времето, Зелдович се оказва прав.

Какво значи, че световната материална среда е станала ненужна на физиката? Значи ли, че трябва да се върнем към пустотата? Може да се каже така: навремето действително са измислили ефира, защото им е бил нужен; в началото на ХХ век необходимостта от стария ефир с неговите противоречиви свойства отпада. Но както е предположил самият създател на теорията на относителността, някаква вездесъща материална среда все пак трябва да съществува и да притежава определени свойства.

По-късно Айнщайн отново предлага тази материална среда да се нарече ефир. През двайсетте години на ХХ век, след публикуването на класическите си трудове по специалната и общата теория на относителността,  Айнщайн неведнъж повтаря в статиите си: „Ефирът съществува. Съгласно общата теория на относителността, пространството е немислимо без ефира…“; „В теоретичната физика не можем да минем без ефира, т.е.  континиум,  притежаващ физически свойства“.

Но „континиумът, притежаващ физически свойства“ – това не е предишният ефир. Айнщайн приписва определени (нови за науката) физически свойства на самото пространство. За общата теория на относителността това е достатъчно и никаква особена материална среда извън това, в това пространство, не й е нужна. В края на краищата, общата теория на относителността е теория на гравитацията – ни повече, ни по-малко. Самото пространство с новите физически свойства би било възможно отново да се нарече ефир.

В съвременната физика, заедно с теорията на относителността, „властта над света“ се дели с квантовата теория на полето. Тя, от своя страна,  открива в пространството на Айнщайн доста специфична материална среда, с необичайни свойства. Материалната среда, обща за теорията на относителността и за квантовата теория на полето е наречена физически вакуум. Науката не се реши да се върне отново към термина „ефир“.

И така, в началото на ХХ век, в естествознанието е приета нова научна парадигма,  в основата на която са положени принципът на относителността на Айнщайн,  геометрията на пространството на Риман-Айнщайн и универсалната материална среда – физическият вакуум.

В заключение ще подчертаем,  че нито една друга теория не е оказала такова революционно влияние върху физиката и науката като цяло, както теорията на относителността на Айнщайн. По мащаби теорията на Айнщайн може да се сравни само с теорията на Нютон, положила основите на съвременното естествознание. Отказвайки се от обичайните представи, Айнщайн предлага съвършено нови тълкувания на пространството,  времето и масата,  което изисква коренно преустройство на основните понятия и идеи.

Като любопитен факт ще отбележим, че Айнщайн не получава Нобелова награда за нито един от трудовете  си по теория на относителността. През 1921 г. той е удостоен с Нобелова награда за теорията на фотоефекта, публикувана още през 1905 г. Това без съмнение свидетелства, че теорията на относителността се е сторила твърде радикална на предишните нобелови лауреати,  които са обсъждали новите кандидатури.

Забележка: Номерата които виждате до заглавията са по ред на публикациите, за да Ви е лесно да ги намирате в търсачката, и не отговарят на страниците. Забележката важи за всички публикации където има * и число * в заглавието.

източник: http://www.beinsadouno.com

2.1.4. Изгнанието на ефира

Но историята на науката не се ограничава с изброяването на успешните изследвания. Тя е длъжна да ни разкаже и за неуспешните изследвания и да обясни защо някои от най-способните хора не са могли да намерят ключа към знанието и как само репутацията на други дава стабилна опора на грешките,  в които са попаднали.         

Максуел

За по-нататъшното развитие на теоретичната физика е била нужна теория,  която да разреши поредната възникнала криза. Дълго време опитите на учените в това направление са напразни. Едва през 1905 г., почти четвърт век след първия опит на Майкълсон, в първата си публикувана работа по теория на относителността „Към електродинамиката на движещите се тела“, младият Алберт Айнщайн предлага изход от създалото се положение.

При анализа на резултатите от опитите на Физо и Майкълсон в работата си, Айнщайн стига до извода, че трябва да се откажем от въвеждането на понятието ефир, тъй като предположението, че ефирът е неподвижен едновременно в две системи (в система,  свързана със Земята, в опита на Майкълсон и в неподвижна система, в опита на Физо) е абсурдно.

На времето опитът на Физо е обяснен чрез съществуването на неподвижен ефир, в който се движат всички тела. Опитът на Майкълсон опровергава тази хипотеза: скоростта на светлината относно Земята има винаги една и съща стойност, независимо от това, дали Земята се движи в посоката на движение на светлинния лъч или срещу него. Това би могло да се обясни с движението на Земята заедно с околоземния ефир, в който се разпространява светлинния лъч. Възможност за такова обяснение допуска и Айнщайн, но тогава остава неясен опитът на Физо,  който показва,  че тялото не се движи заедно с ефира.

Доста по-късно науката установява, че преместващото се върху Земята тяло в опита на Физо в действителност не се движи заедно с ефира вътре в тялото, тъй като този ефир се задържа от гравитационната сила на Земята.

Във великолепно написаната книга „Еволюция на физиката“, Айнщайн стига до отказване от ефира, не само след анализ на опитите на Физо и Майкълсон, но и в резултат от анализа на цялата история на развитието на физиката.

Като не намира механично обяснение на ефира, Айнщайн му произнася смъртоносна присъда: „Всички наши опити да направим реален ефира, се провалиха. Той не ни разкри нито механичния си строеж, нито абсолютното си движение … Всички опити да открием свойствата на ефира  доведоха до трудности и противоречия. След толкова неудачи, настъпва момент, когато трябва въобще да забравим за ефира и да се постараем никога повече да не го споменаваме“.

Обосновавайки отказа си от ефира и това, че не всички явления в природата могат да бъдат обяснени от гледна точка на механиката, Айнщайн стига до мисълта за несъвършенството на основите на класическата физика. Той замисля теория, която да поправи основите на класическата физика, да помогне за излизане от създалата се криза и да послужи като основа на по-нататъшното развитие на теоретичната физика.

Назряващата криза във физиката показва необходимостта от смяна на парадигмата в естествознанието.

Съдържанието на базите на парадигмите в естествознанието винаги е изграждано върху избора на съответен принцип на относителността, съответстващ на геометрията на пространството и чрез постулиране на съществуването на някаква универсална среда, пренасяща взаимодействието. По времето на Нютон е господствала Евклидовата геометрия, принципът за относителност на Галилей, а за ролята на субстанцията, пренасяща взаимодействията, претендира ефирът. Ето че ефирът е отхвърлен. Едната от трите опори, поддържащи стария мироглед, рухва. А  към края на ХІХ век се оказва, че и другите две са силно разклатени.

Нека си припомним, как е изглеждал светът за учените по времето на Нютон. Абсолютно, еднакво навсякъде, несвързано с нищо, независещо от нищо време. Абсолютно,  навсякъде еднородно пространство, с абсолютна, навсякъде еднаква и също не зависеща от нищо геометрия. В такова абсолютно пространство и такова абсолютно време съществува,  подчинявайки се на физическите закони, цялата материя. Например, законът за всеобщото привличане определя зависимостта на силата на взаимно привличане на телата от големината на техните маси и разстоянието между тях. И, разбира се, всички учени са убедени, че нито масата, нито силата, нито свързващите ги закони, не зависят от времето и пространството, също както времето и пространството от нищо не зависят.

И ето че през 1826 г. дръзкият Н. И. Лобачевски от Русия заявява: „Това не е така. Със силите и с масите на телата е тясно свързано самото време, от тях зависи и строежът на пространството,  т.е. неговата геометрия“.

Но какво означава геометрията на пространството да зависи от силите или от масите на телата? Означава, че пространството не е абсолютно и еднородно, че геометрията му се определя от големината и разпределението на телата. Не съществува абсолютно, от нищо не зависещо пространство, еднакво за всички. Не съществува и абсолютно време, което да тече съвършено еднакво за всички тела. Т.е.,  нашето реално пространство се оказва неевклидово. Изкривяването на пространството следва пряко от основното уравнение на Н. И. Лобачевски. По такъв начин Н. И. Лобачевски пръв разкъсва веригите, сковаващи геометрията от времето на Евклид. Той построява по-широка геометрична система – пангеометрия, която не отхвърля и не заменя геометрията на Евклид, а просто й отрежда скромното място на частен случай. По-късно Риман разширява съдържанието на геометрията така, че и творението на Лобачевски остава частен случай. Геометрията на Евклид представлява геометрия на пространство с нулева кривина, геометрията на Лобачевски – с отрицателна кривина, а геометрията на Риман – с положителна кривина.

По такъв начин, в началото на ХХ век става очевидна необходимостта от разработване на нова парадигма: ефирът е отхвърлен, пространството е неевклидово (има кривина) и не е абсолютно.

Ето в такава ситуация Айнщайн се хваща да разработи нова теория на относителността,  която за съвременната физика да играе същата роля, каквато механиката на Нютон –  за класическата физика.

Всичко е просто, когато е вече открито. И е неимоверно сложно, когато не знаеш в каква посока да търсиш.

Забележка: Номерата които виждате до заглавията са по ред на публикациите, за да Ви е лесно да ги намирате в търсачката, и не отговарят на страниците. Забележката важи за всички публикации където има * и число * в заглавието.

източник: http://www.beinsadouno.com