Механическая картина мира: становление, развитие, кризис

Механическая картина мира: становление, развитие, кризис

Реферат

Механическая картина мира: становление, развитие, кризис

Становление механической картины мира

Научная революция 16-17 в.в.

Огромное значение в накоплении естественнонаучных знаний, а также в развитии материалистических взглядов имели географические открытия конца 15 - начала 16 века (открытия Колумба, путешествия Васко да Гама, Магеллана). Великие открытия создали широкую географическую базу промышленного и культурного развития, именно она могла обеспечить и создание новой науки. Но для этого требовалось еще и новое мировоззрение, освобожденное от оков схоластики. Поэтому начавшаяся в 16 веке научная революция охватила все стороны мировоззрения, переворот во взглядах на мир, на место человека в этом мире, на значение и методы научного познания.

В эту эпоху напряженных классовых битв в Италии начинается новая культурная полоса, в течение которой появились скульптуры Микеланджело, картины Рафаэля, вырастает гуманистическая культура Польши, давшая миру гений Н. Коперника, бросивший вызов церковному авторитету в вопросах природы.

Н. Коперник (1473 - 1543 г.г.) - учился в Кракове, Болонье и Падуе, получил докторскую степень в Ферраре и занял должность каноника в Фромборке. Изучал экономику, право и медицину, одновременно с интересом занимался астрономией и математикой. В 1530 году появился первый рукописный труд Н. Коперника «Комментарий» (был утерян и напечатан лишь в 1877 году, получив название «Малый Комментарий»). В этом сочинении Коперник рисует кинематическую схему планетных движений в солнечной системе. Самое великое творение ученого, которое начало свою бессмертную жизнь уже после его смерти - знаменитая книга «О вращениях небесных сфер». В этой книге содержится систематическое изложение и обоснование гелиоцентризма. Излагая в своей книге картину солнечной системы, Коперник исходит из следующих соображений, основываясь на результатах астрономических наблюдений: Меркурий и Венера всегда кажутся с Земли находящимися возле Солнца и никогда не оказываются на противоположной стороне неба. При этом Меркурий всегда ближе к Солнцу, он никогда не отходит от Солнца на такое расстояние как Венера. Отсюда следует, что Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца по орбитам, находящимся внутри орбиты Земли. Марс, Юпитер и Сатурн иногда противостоят Солнцу, т.е. Земля оказывается между Солнцем и этими планетами, во время противостояния эти планеты светят ярче всего и, значит, находятся ближе к Земле. Отсюда Коперник делает вывод, что орбиты указанных планет дальше от Солнца, чем орбита Земли. В их видимых движениях можно заметить некоторые неправильности, которые обладают периодичностью. Такая ситуация, как утверждает Коперник, может быть объяснена только движением Земли вокруг Солнца. Чем меньше неправильности, заключает ученый, тем дальше соответствующая планета. Таким образом, Земля не центр мироздания, а лишь одна из шести планет, обращающихся вокруг Солнца.

С точки зрения основ научной картины мира работа Коперника - это переход к концепции относительного движения Земли и относительного движения во всей Вселенной. Он показывает, что если Земля обращается вокруг Солнца, то видимое движение Солнца будет таким же, как если бы Солнце обращалось вокруг Земли. Отсюда следует, что видимое движение небесных тел может быть следствием не только их действительного движения, но и действительного движения Земли. При помощи принципа относительности движения Коперник борется против аргументов геоцентризма. Геоцентрическая картина мира обосновывалась картиной разрушительного урагана, который снес бы все с земной поверхности, если бы Земля вращалась. Коперник утверждает, что движение Земли, являясь естественным движением, не может нарушить естественного порядка на Земле, не может заставить тела отклониться от перпендикулярных земной поверхности направлений, не может рассеять тел, находящихся на поверхности Земли, не может унести на запад облака и птиц, отстающих от движущейся земной поверхности. Здесь налицо представление о некотором движении, которое не меняет внутренних соотношений в движущейся системе, а поэтому не может быть обнаружено в самой системе.

Сам Н. Коперник не следил за изданием своей книги. Рукопись была передана в 1953 году в Нюрнберг, где довести дело до печати было поручено протестантскому богослову Андрею Осиандеру. Чтобы примирить гелиоцентризм с библейской догмой, Осиандер составил предисловие к книге, которое долгое веря приписывали самому Н. Копернику. Главная мысль этого предисловия состоит в том, что описанное Коперником движение представляет собой лишь математическую гипотезу и «… лишь безумец может думать, будто в книге доказывается движение Земли».

Как бы там ни было, труд Коперника изначально не был признан опасным, и книга была напечатана. Более того, когда в 1582 году производилась реформа календаря, то были учтены расчеты, произведенные Коперником, из которых следовало, что юлианский календарь отставал на 10 дней от видимого движении Солнца среди звезд.

Сделав один революционный шаг, Коперник был вынужден сделать и второй. Так как движение Земли не отражается на видимой картине сферы неподвижных звезд, он принял, что эта сфера чрезвычайно велика по сравнению с размерами Земли. Коперник думает об измеримости этой бесконечности и сравнивает отношение размеров Земли и Вселенной с отношением размеров атома и тела, образованного из атомов. Большая часть книги Коперника содержит таблицы и расчеты, относящиеся к той видимой части Вселенной, которую с древних времен наблюдал человек.

Книга Н. Коперника поставила перед наукой ряд важных проблем. Его теория нуждалась в физическом обосновании кинематической схемы. Возникал естественный вопрос: что связывает в единое целое планеты с Солнцем, Землю с Луной. Астрономия нуждалась в механике, и не в той, которая была известна древним натурфилософам (статика), а в новой - механике движения. А для развития новой механики необходима была и совершенно новая математика. Так из великого открытия Коперника возникла научная программа, осуществление которой привело к возникновению экспериментального и математического естествознания. Но одновременно возникала необходимость и в смелых пропагандистах нового учения.

Одним из выдающихся ученых-героев в этом плане был великий итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548 - 1600 г.г.). Родился в небольшом итальянском городке Нола, биз Неаполя, был назван Филиппе. Получил образование в Неаполе, в 16 лет постригся в монахи под именем Джордано и с 24 лет работает священником в Кампанье. Здесь он познакомился с трудами Коперника и стал неутомимым проводником его идей. Бруно развивает величественное учение о множественности миров. Основная его идея - бесконечность и однородность Вселенной и неисчислимость миров - звезд, тождественных по своей природе Солнцу. У Бруно не только Земля, но и Солнце перестают быть центром Вселенной, последняя вообще не имеет центра. Священнослужители за такие смелые идеи неоднократно отправляли доносы на Бруно, более 7 лет он провел в тюрьме и по приговору суда инквизиции 17 февраля 1600 г. был сожжен в Риме на площади цветов. Ученый заслужил благодарное признание потомков: на месте сожжения воздвигнут памятник Дж. Бруно.

Горячим сторонником учения Коперника еще во время жизни Дж. Бруно был Иоганн Кеплер, обессмертивший свое имя открытием законов движения планет. И. Кеплер (1571 - 1630 г.г.) родился недалеко от Вейля, после окончания академии был преподавателем математики и философии в Граце. Как известно, в знаменитой книге Н. Коперника гелиоцентрическое мировоззрение еще не порвало с представлением об эпициклах, основанном на традиционной идее совершенства небесных тел и движений, из которой выводились круговые орбиты небесных тел. И. Кеплер отбросил традиционный критерий «совершенства» и с ним - равномерные круговые движения небесных тел. Вместе с тем, по сравнению с Коперником, он опирался на новые, гораздо более точные астрономические наблюдения, проведенные во второй половине 16 века Тихо Браге. В результате обработки громадного числа наблюдений Кеплер установил эллиптическую форму планетных орбит. Наряду с идеей круговых орбит, нужно было отбросить вторую традиционную идею - мысль о равномерном движении планет. Кеплер доказал, что скорость планет изменяется таким образом, что площади, описываемые радиусом-вектором планеты в равные промежутки времени, равны между собой. После установления формы орбит и скорости движения планет нужно было связать единой математической зависимостью расстояния планет от Солнца и скорости их движения. Кеплер сделал это, сформулировав третий закон: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца.

Кеплер представлял Вселенную все же ограниченной сферой. В центре мировой сферы находится Солнце - источник движущей силы, гармонии и света. Движущаяся сила Солнца распространяется на сравнительно небольшое пространство, в котором находятся планеты. Солнце вращается вокруг своей оси и увлекает благодаря этому планеты, распространяя вокруг себя движущие силовые «нити». Космос Кеплера наполнен эфирным веществом, которое сгущается и образует кометы и новые звезды. Свет - невесомая материя, которая с бесконечной скоростью распространяется во все стороны прямолинейно от светящихся тел, причем сила света убывает пропорционально квадрату расстояния. Кеплер отбросил теологические рассуждения о стремлении тел к общему источнику, где они остаются в покое. Соответственно, исчезает и специфичность силы тяготения к каждому небесному телу. Одна и та же сила заставляет у него тяготеть друг к другу и части Луны, и части Земли. Таким образом, тяготение становится универсальной характеристикой вещества. Отсюда вытекает, что элементы вещества связаны взаимным тяготением. Тяготение Кеплера вообще направлено не к месту, а к телу. Первая научная работа Кеплера «Космографическая тайна» сложна, запутана и противоречива. В основном, она посвящена геометрическому закону, управляющему расстояниями между орбитами планет. Продолжением «Космографической тайны» стала книга «Гармонии мира». Здесь впервые в истории науки поставлен вопрос: как могут быть выведены мировые константы? После «Гармонии мира» Кеплер выпустил систематический курс астрономии, где законы, найденные при наблюдении Марса, обобщаются на движение всех планет и их спутников. Здесь же рассматривается вопрос об абсолютном расстоянии между планетами и Солнцем. При этом основной является следующая мысль: Земля - местопребывание существ, способных измерять, следовательно, ее размеры должны быть естественной мерой космических расстояний и величины космических тел, поэтому объем Солнца во столько раз больше объема Земли, во сколько раз расстояние от Солнца превышает радиус Земли. Здесь мы опять встречаемся с тенденцией Кеплера найти какую-то связь между космическими константами. Но, конечно, элементы причинного исследования тонут в нагромождении средневековых фантазий. Кеплер так и не смог отыскать динамические принципы, которые дали бы рациональное объяснение планетных движений. Это, однако, не умаляет значения великих открытий Кеплера, которые вошли в содержание новой механики.

Следующий решительный шаг в борьбе за систему Коперника и новое мировоззрение был сделан Галилеем (1564 - 1642 г.г.). Бруно рассматривал и развивал учение Коперника с философских позиций, Кеплер привел эту систему в соответствие с последними данными астрономии. Галилею оставалось обосновать гелиоцентрическую систему физически, и его борьба за нее слилась с выработкой основ новой физики, пришедшей постепенно на смену аристотелевской. С именем Галилея связано начало нового принципиально важного этапа развития физического знания - восхождение на теоретический уровень познания.

Г. Галилей родился в семье небогатого пизанского дворянина. Научно-технические интересы Галилея были навеяны средой и появились у него с самой ранней юности. Учителем Галилея в Пизанском университете был успешный в свое время представитель прикладной механики и математики 16 века Остилио Риччи. Под его руководством Галилей изучал инженерное дело, наблюдал возведение крепостей и сооружение водопроводов. С идеями, навеянными земной прикладной математикой, Галилей подошел к проблемам космоса, применяя новый, навеянный техникой метод научного мышления и новый стиль научного исследования.

Основной задачей для Галилея никогда не переставало быть причинное объяснение природы. Сама наука, по его мнению, должна быть подчинена принципу причинности. Он ввел в научное сознание идею бесконечного приближения к объективной истине на основе механического объяснения природы. Бесконечность познания вытекает у Галилея из бесконечности природы. Объективной истинной причиной явлений природы служит у ученого единая, тождественная себе материя, лишенная качественных вторичных свойств. Подлинное объяснение явлений природы, говорил Галилей, должно показать в их основе перемещение частей единой материи. Он высказывает значительную с исторической точки зрения мысль, в которой соединяются корни таких важнейших научных идей 17 века, как неуничтожимость вещества, однородность материи и сведение качественных различий к конфигурации элементов материи. «… Я никогда не мог представить себе такого превращения веществ друг в друга, при котором одно тело признается уничтоженным, и из него получается другое тело, совершенно отличное от первого. Я считаю возможным, что превращение сводится просто к изменению взаимного расположения частей, причем ничто не уничтожается и ничего нового не нарождается.

Наибольший общественный резонанс вызвали астрономические открытия и сочинения Галилея. Известность Галилея в широких кругах Италии и всей Европы началась с открытия им спутников Юпитера, кратеров на Луне, звездной природы Млечного Пути, описания фаз Венеры и солнечных пятен. Все эти наблюдения были описаны в выпущенном Галилеем журнале «Звездный вестник». Все эти открытия и наблюдения Галилея способствовали распространению и физическому пониманию системы Коперника. Так, принципиальное значение для научного мировоззрения имела картина поверхности Луны. Традиционная концепция не допускала сходства между Землей и небесными телами. Система Коперника, напротив, сближала Землю с другими планетами, так как приписывала всем планетам одно и то же движение - вращение вокруг Солнца. Догадкой оставалась мысль о тождественности физической природы Земли и других небесных тел. Картина, которую показал Галилей в телескоп, была таким наглядным доказательством физического тождества Земли и небесных тел, какого никогда не существовало в догалилеевской астрономии. И речь не о каких-то математических выкладках, а о непосредственном наблюдении природы небесных тел.

По мере того, как открытия Галилея делали систему Коперника достоянием широких общественных кругов, с растущим подозрением за этим наблюдала и церковь. В марте 1616 года собрание кардиналов признает систему Коперника ложной и запрещает его книгу. Запрет пропаганды учения Коперника стал для Галилея началом долгого одиночества. 15 долгих лет он мечтает вновь выступить в защиту коперниканства. Наконец, надеясь на поддержку нового папы Урбана VIII он выпускает во Флоренции свой знаменитый труд «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой». Главные возражения против Коперника были сняты установлением принципа относительности. Даже Эйнштейн, спустя 300 лет развивший теорию относительности, назвал систему отсчета, центр которой находится в центре солнечной системы, галилеевой. В «Диалоге» содержится попытка прямого доказательства движения Земли. Речь идет о теории приливов. Галилей придавал этой теории столь большое значение, что всю книгу хотел назвать трактатом о приливах. Галилей считает, что так как в силу относительности инерционного движения невозможно установить движение Земли при помощи твердых тел, то продемонстрировать его могут лишь жидкие массы, и он анализирует движение частиц воды на поверхности Земли. Согласно представленной схеме движения, вода повышает свой уровень при ускорении и замедлении в силу инерции. У Галилея в этих явлениях инерция выступает как сила. А превращение инерции в силу свидетельствует об абсолютном характере ускоренного развития.

Таким образом, теория приливов ограничивала принцип относительности равномерными движениями. Одновременно теория приливов и отливов доказывала абсолютный характер движения Земли и придавала учению Коперника объективный физический смысл. «Диалог…» Галилея имел важнейшее значение для распространения гелиоцентризма. Но для развития собственно механики большое значение имела другая его книга «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местным движениям», написанная после суда инквизиции, на котором состоялось отречение Г. Галилея от защиты коперниканства по заранее заготовленному тексту. Две новые отрасли науки, обсуждающиеся в «Беседах» - это динамика и сопротивление материалов. Галилей ставит вопрос о причинах и мере сил, связывающих воедино части тел. Строение вещества и особенно вопрос о его твердости, связанности отдельных частей - один из центральных вопросов появляющейся научной картины мира. Объясняя сцепление элементов тела, Галилей ссылается на боязнь пустоты и находит способ количественно определить это сопротивление образованию пустоты в различных природных материалах, утверждая, что совместно с видимыми силами макромира действуют силы другого, невидимого мира.

Входящий в состав «Бесед» «Трактат о местном движении» фактически явился малой энциклопедией новой механики. Так, в определение равномерного движения Галилей вносит существенную поправку, позволяющую относить скорость к бесконечно малым отрезкам пути, приближаясь, таким образом, к современному представлению о скорости как о пределе отношения между пройденным путем и временем. В отношении брошенных тел криволинейность их траектории была установлена и до Галилея, но лишь Галилей находит, что это движение происходит по параболе. Он считает возможным изучать падение тел устранив проблему физических причин тяготения: занимается математической разработкой вопроса не рассматривая физических причин падения. Равномерно-ускоренное движение определяется им как такое, при котором в равные промежутки времени прибавляются и равные моменты скорости. При таком движении пройденный путь оказывается пропорциональным квадрату времени. Галилей излагает законы падения тел и формулирует принцип инерции: «… Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления движению, то…. движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца…» Главные возражения против Коперника снимается установлением принципа относительности. Даже Эйнштейн, спустя 300 лет развивший теорию относительности, назвал систему отсчета, центр которой находится в центре солнечной системы, галилеевой.

Динамика 17 века в лице Галилея объявила сопротивление среды несущественной стороной своих законов. Следует отметить, что кроме принципов динамики, Галилей высказывал мысли и о динамическом обосновании статики, приходя к принципу рычага: «…Если две силы действуют на различные по длине плечи рычага первого рода, то в случае нарушения равновесия плечи рычага известным образом переместятся…». Продолжая анализ условий равновесия, Галилей рассматривает отношение между силой и перемещением для равновесия на наклонной плоскости, что позволяет ему фактически установить консервативный характер поля тяготения.

Таким образом, картина мира, нарисованная Г. Галилеем, была единой, охватывающей все мироздание картиной инерционных движений. В своем дальнейшем развитии теперь наука должна была показать космические ускорения и найти их причины. «Беседы и математические доказательства…» содержали некоторые необходимые для этого понятия земной механики, но Галилей не перенес их в космос. Его естественнонаучные идеи были далеко еще не слившимися элементами нового, более точного и конкретного представления о мире. Ближайшие поступательные шаги науки должны были объединить их с теорией ускоренного движения, и прежде всего, с теорией падения тяжелых тел, которая частично была изложена в «Беседах…». Для этого требовалось более точное определение скорости, представление о сохранении не только абсолютной скорости, но и направления инерционного движения.

Г. Галилей заложил лишь первые камни в фундамент нового здания, над возведением которого предстояло трудиться ещё многим поколениям учёных. Такая ситуация в общем не является исключительной - при анализе последующих этапов развития физического знания мы вновь сможем убедиться в том, что научные теории рождаются как результат исторического процесса деятельности многих учёных, входящих в сменяющие друг друга научные сообщества.

Таким образом, можно сделать вывод, что именно на стыке двух направлений - физического эксперимента и математического описания физических явлений - родилась классическая механика, а вместе с ней и был заложен фундамент механической картины мира. Её становление и последующее развитие, естественно, зависело от активности действий в обоих указанных направлениях.

Математическое направление в дальнейшем начало активно развиваться выдающимся французским философом, математиком, физиком Р. Декартом (1596 - 1650 г.г.). Он заложил основы аналитической геометрии, применил её аппарат к описанию перемещений тел. Декарт разработал понятия переменной величины и функции; это позволило выдвинуть на передний план выявление законов движения и изменения, установление закономерных связей между элементами движущихся объектов. Именно на этом пути были впоследствии открыты уравнения движения. Р. Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировав два исходных закона движения:"… однажды пришедшие в движение тела продолжают двигаться, пока это движение не задержится какими-либо встречными телами…", при этом "… каждая частица материи в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой". Соединённые вместе эти два положения позже (у И. Ньютона) приняли форму первого закона механики. Таким образом, определилась задача теоретического исследования: объяснить причины изменения основного состояния движения (т.е. причины изменения направления или величины скорости движения).

В физике Декарта нет места силам, действующим на расстоянии, через пустоту. Все явления мира сводятся к движениям и взаимодействиям соприкасающихся частиц: «… в мире нет ничего, кроме движущейся материи различного вида. Материя состоит из элементарных частиц, локальное взаимодействие которых и производит все природные явления…». Такое физическое воззрение получило название картезианского. Взаимодействие материальных частиц подчиняется у Декарта основным законам и правилам:

«1. Первое начало заключается в следующем: каждая частица материи в отдельности продолжает находиться в одном и том же состоянии до тех пор, пока столкновение с другими частицами не вынуждает ее изменить это состояние.

. В качестве второго правила я предполагаю следующее: если одно тело сталкивается с другим, оно не может сообщить ему никакого другого движения, кроме того, которое потеряет во время этого столкновения, как и не может отнять у него больше, чем одновременно приобрести.

. В виде третьего правила я прибавлю, что хотя при движении тела его путь чаще всего представляется в форме кривой линии и что хотя невозможно произвести ни одного движения, которое не было бы в каком-либо виде круговым, тем не менее, каждая из частиц тела по отдельности всегда стремиться продолжать его по прямой линии.

Картезианское воззрение сыграло огромную роль в эволюции физики, оно сохранилось и до нашего времени, хотя и видоизменяясь. Попытки построить единую теорию поля и вещества, например, некоторым образом повторяют попытки Декарта построить физическую картину мира с непрерывной материей.

Следует отметить, что в это же время значительных успехов добивается и экспериментальная физика. Это и исследование законов статики голландским ученым, инженером и математиком С. Стевином (1548 - 1620 г.г.), это и открытие атмосферного давления учеником Г. Галилея Э. Торричелли (1608 - 1647 г.г.), это и измерение атмосферного давления на различных высотах, произведенное французским физиком, философом и математиком Б. Паскалем (1623 - 1662 г.г.), это и превосходные микроскопы голландца Антонии ванн Левенгука (1632 - 1723 г.г.).

Таким образом, можно говорить о происшедшей в 17 веке научной революции, в результате которой возникла классическая физика с общими формами и методами познания, которые составляют основу и современной классической науки.

Решающий вклад в становление механической картины мира внёс великий английский ученый И. Ньютон (1642 - 1727 г.г.). Именно в ньютоновской научной программе фундаментальная роль была отведена эксперименту. Он ввёл понятие силы как причины изменения состояния движения, т.е. причины, вызывающей изменение скорости движения по величине или по направлению (или одновременно по величине и направлению).

В механике И. Ньютона источниками и точками приложения сил являются материальные точки. Представление о материальной точке также введено И. Ньютоном. Он сформулировал также понятие основного закона механики и систему из трёх основных законов, названных его именем (Галилей и Декарт лишь приблизились к их формулировке). Выдающейся заслугой И. Ньютона явилось установление конкретного вида закона, определяющего величину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия - закона всемирного тяготения. Ньютону принадлежит также открытие, имеющее принципиальное методологическое значение - законы движения существенно связаны с законами сохранения. Фундаментальный труд И. Ньютона "Математические начала натуральной философии" является своеобразной энциклопедией физической (механической) картины мира. Кроме уже обсуждённых законов этот труд содержал и рассуждения об исчислении бесконечно малых величин, а вместе с Лейбницем Ньютон делит славу создателя интегрального и дифференциального исчисления.

Механика И. Ньютона - своеобразный узел, в котором сошлись нити из прошлых веков и из которого берут начало нити, протянувшиеся в будущие века. С одной стороны, он сделал решающий, можно сказать завершающий, шаг на пути становления классической механики. До Ньютона механика ещё только создавалась, после Ньютона - она уже существует. С другой стороны, Ньютон предопределил дальнейшее бурное развитие физической науки вообще и механики в частности. Особую стройность ньютоновская механика приобретает в трудах Эйлера и Лагранжа. Кроме этого, следует подчеркнуть, что И. Ньютон был последовательным сторонником атомизма, поэтому не случайно атомизм становится основным течением в вопросах строения вещества (Гюйгенс, Ломоносов, Бойль).

Формирование механической картины мира потребовало нескольких столетий, практически оно завершилось лишь к середине 19 века. Эту картину надо рассматривать как важную ступень в познании человеком окружающего мира. Каким же представлялся этот мир? Все тела - твёрдые, жидкие, газообразные - состоят из атомов и молекул, находящихся в никогда не прекращающемся тепловом движении. Взаимодействие тел происходит как при их непосредственном контакте (силы упругости, трения), так и на расстоянии (силы тяготения). Всё пространство заполняет всепроникающий эфир. Атомы воспринимаются как некие цельные, неделимые "кирпичики" вещества, сцепляясь друг с другом, они образуют молекулы и, в конечном счёте, все тела. Природа такого сцепления не исследуется, предполагается чисто механическое сцепление. Существуют разнообразные модели эфира: абсолютно несжимаемый, твёрдый, состоящий из "шестерёнок" и т.д.

Обычно историки выделяют 4 принципиальных момента в характеристике механической картины мира:

1.      Мир в этой картине имеет прочный фундамент - это законы механики Ньютона. Все наблюдаемые в природе превращения, в том числе и тепловые явления, сводились к механике атомов и молекул - их перемещениям, столкновениям, сцеплениям, разъединениям. После открытия закона сохранения и превращения энергии, все виды энергии стали сводиться к энергии механического движения. Мир представлялся гигантской машиной, построенной и функционирующей по законам механики.

2.      Механическая картина исходила из представления, что микромир аналогичен макромиру. Как движутся и сталкиваются микротела, точно также движутся и сталкиваются атомы. Считалось, что как живая, так и неживая материя сконструирована из одних и тех же деталей, различающихся размерами. Характерная для механического мировоззрения привычка видеть в малом то же, что имеется в большом, но лишь в меньших размерах, порождала представления о мире, похожем на вставленные одна в другую матрёшек.

.        В механической картине отсутствует развитие - мир в целом такой, каким он был всегда. Все наблюдаемые явления и превращения не более чем механические перемещения и столкновения атомов, то есть всё происходящее - исправное функционирование природного механизма. Таким образом, механическая картина мира фактически отвергала качественные изменения, сводя всё к изменениям чисто количественным. В этом виделся залог незыблемости природы.

.        В механической картине все причинно-следственные связи являлись однозначными (лапласовский детерминизм). Полагали, что возникновение вероятности того или иного хода процесса связана не с закономерностями материи, а с нашим незнанием такого сложного механизма как природа в целом в отдельных его деталях. Говоря об одинаковом характере движения молекул воздуха и тел на земной поверхности, Лаплас отмечал:"… между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением…"

Таковы основные черты механической картины мира, господствовавшей в естествознании практически до середины 19 века. По самой своей сути эта картина являлась метафизической. В ней отсутствовали внутренние противоречия, то есть было невозможно качественное изменение, всё происходящее в мире представлялось жёстко предопределённым, всё многообразие процессов и явлений сводилось к механике.

Кризис механической картины мира

Первоначально основные представления классической механики, а вместе с ними исходные образы механической картины мира развивались, оттачивались и демонстрировали свои успехи прежде всего в области небесной механики. Вообще основное понятие механической картины мира - материальная точка, перемещающаяся в пространстве - возникло в силу ассоциации со зрительными образами небесных тел как ярких светящихся точек на фоне темноты космического пространства. В то же время важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которая неоднократно встречается в трудах Г. Галилея и И. Ньютона, все в большей мере побуждает применять фундаментальные образы механической картины мира ко всей совокупности явлений, окружающих человека.

В 19 веке новый, принципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связанным с применением ее основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкостей и твердых тел. Возникновению этой теории предшествовал довольно длительный период накопления эмпирических знаний о свойствах вещества, в частности газов. О закономерностях рождения нового знания, как результата коллективных усилий большого числа ученых разных поколений, как процесса последовательного приближения к истине, наглядно свидетельствуют основные этапы развития знаний о свойствах газов.

В 1643 году ученик Галилея Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной открытым концом в сосуд со ртутью, устанавливается на высоте примерно 76 сантиметров. Он смог дать правильное истолкование этому явлению - давление воздуха уравновешивается весом столбика ртути. В результате этого открытия наука получила в свое распоряжение прибор для измерения давления газа. Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объема газа в замкнутом сосуде давление возрастает, при увеличении объема - соответственно уменьшается, так что произведение давления на объем остается величиной постоянной для данной массы газа. Через 14 лет Э. Мариотт повторил и подтвердил результаты этих опытов. В 1787 году Ж, Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется по линейному закону. Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил также опытным путем, что объем данной массы газа меняется линейно с изменением температуры при постоянном давлении. Через 5 лет он убедился и в наличии обратной зависимости.

Таким образом, усилиями нескольких поколений ученых более чем за полтора столетия была установлена целая серия эмпирических законов, отражающих зависимости между параметрами, характеризующими состояние газа в замкнутом сосуде. В ходе этих экспериментальных исследований перед учеными вырисовалась целая область своеобразных явлений, в которой центральную роль играли такие понятия, как «температура», «давление», «объем». К ним добавилось важное понятие «работа» (например, нагревание газа в сосуде с подвижным поршнем давало возможность перемещать грузы). Чтобы перейти от экспериментальных фактов к теории, описывающей поведение газов, необходимо было использовать либо теоретические представления механики, либо найти какие-то другие фундаментальные образы. Но это уже означало бы поиски и новой картины мира, в отличие от механической.

Непосредственной предпосылкой перехода к теоретическим обобщениям явилось техническое применение свойств газов. Появились первые тепловые и паровые машины. Для описания перехода тепла во всех тепловых процессах использовалась так называемая вещественная теория, или теория «теплорода». Согласно этой теории, тепло переходит от одного тел к другому, сохраняя свое общее количество, подобно жидкости, перетекающей из одного сосуда в другой. В 1824 году, примерно через 40 лет после появления усовершенствованной тепловой машины Уатта, французский инженер С. Карно анализирует связь между термодинамическими параметрами и производимой газом работой. В результате этих исследований возникает образ идеальной тепловой машины и возникает новая теоретическая наука - термодинамика.

Если в начале 19 века только что родившаяся термодинамика выступала как механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую за рамки собственно тепловых явлений, приложимую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний стало открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Причем, интересно, что никто из них не был профессиональным физиком. Майер и Гельмгольц - по образованию врачи; Джоуль - инженер, в прошлом пивовар. Поэтому к открытию они шли совершенно разными путями. Вообще термин «энергия» был введен Т. Юнгом еще в 1807 году, но прижился не сразу: под энергией Юнг понимал произведение массы тела на квадрат его скорости. Уже в конце 18 века, можно сказать, был вынесен приговор «теплороду», когда Б. Румфорд продемонстрировал закипание воды в сосуде, где производилось сверление канала в металлическом цилиндре. В этом опыте наблюдалось нагревание вследствие трения: работа превращалась в теплоту. Однако, идея теплорода смогла просуществовать еще несколько десятилетий. Даже один из основателей термодинамики С. Карно пользовался представлением о теплороде, а вместо энергии использовал термин «движущая сила». Им высказано положение об этой движущей силе: «…движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, то вызывает то один род движения, то другой…»

Р. Майер исходил из медицинских наблюдений и рассматривал различные виды энергий. Он установил, что взятая из плечевой вены кровь на о. Ява имеет поразительно яркую окраску, тогда как обычно венозная кровь очень темная. Для поддержания температуры человеческого тела образование теплоты в нем в результате процессов окисления должно находиться в некотором количественном соотношении к потере им теплоты, а значит также к температуре среды. Поэтому получается, что разность окраски обоих видов крови должна быть в жарком поясе слабее, чем в более холодных странах. Физиологические процессы обусловлены, по Майеру, не таинственной жизненной силой, а физико-химическими процессами, подчиняющимися закону сохранения и превращения энергии. Майер рассматривает следующие виды энергии: кинетическую (живая сила движения); потенциальную (сила падения); механическую (механический эффект); тепловую, электрическую, химическую (силы). Он считал, что все эти виды могут взаимопревращаться при условии неизменности общего количества энергии. Он полагал также, что жизнь на Земле, круговорот воды, движение воздушных масс - все это обеспечивается, в конечном счет, энергией солнечных лучей. «…. Природа поставила перед собой задачу поймать на лету льющийся на Землю свет и накопить самую подвижную силу, приведя ее в неподвижное состояние. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет и при использовании этой силы порождают непрерывно возобновляющуюся сумму химических различий. Этими организмами являются растения…».

Переход исследований на теоретический уровень создал предпосылки для объединения найденных ранее разрозненных законов поведения газа - появляется уравнение Б Клапейрона. Сам Клапейрон в то же время придерживался вещественной теории теплоты. Следующий шаг - превращение термодинамики в относительно завершенную физическую теорию - связан с такими именами, как У. Томсон (Кельвин), Р. Клаузиус, К. Крениг, Дж. Максвелл. Исходные принципы и понятия термодинамики необходимо было объяснить, исходя из господствующей механической картины мира. Так, Крениг впервые рассмотрел модель газа как совокупность хаотически движущихся молекул, уподобленных упругим шарикам. Чтобы облегчить математическое описание таких систем, Крениг вводил упрощающее предположение: приписывает всем молекулам одно и то же значение скорости, равное среднестатистическому в предположении, что каждая треть молекул движется параллельно каждой из осей координат. Таким образом, картина хаотического движения молекул заменялась картиной вполне упорядоченного движения, представлявшего усредненные характеристики реального движения молекул. На самом деле такая замена искажала важные специфические особенности молекулярного движения. Тем не менее, Кренигом были получены ценные результаты, в частности, был выведен объединенный газовый закон Клапейрона. Но в уравнении, полученном Кренигом, место абсолютной температуры занимала кинетическая энергия. Этот важный в теоретическом смысле результат свидетельствовал о том, что понятия давления и температуры не могут считаться первичными, исходными и что с позиций механической картины мира, примененной к объяснению свойств газов, они получают свое истолкование: давление как суммарный результат ударов движущихся молекул о стенки сосуда, а температура - как проявление кинетической энергии этих же молекул.

Свои взгляды на теорию газов изложил и Р. Клаузиус. Используемые им представления получили в истории физики название молекулярно-кинетических. Это общий метод построения теоретических моделей для газов, жидкостей и твердых тел, основанный на изображении их в виде системы большого числа движущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествляемых с атомами и молекулами. Теория Клаузиуса, таким образом, отвергала существование теплорода.

Значительный вклад в развитие кинетической теории тепла и кинетической теории газов внес и русский ученый М. Ломоносов (1711 - 1765 г.г.). Связывая теплоту с вращательным движением молекул, он для объяснения свойств газов вводит силы отталкивания, возникающие по его представлению, при взаимодействии вращающихся «волчков». Однако эти идеи не были восприняты научными сообществами тех времен, и на протяжении почти целого столетия господствовали представления о вещественной природе теплоты.

Клаузиус был по-своему прав, указывая, что молекулярно-кинетические представления не соответствовали даже к середине 19 века господствовавшим взглядам. К тому же распространение этих представлений и после 50-х годов 19 века происходило отнюдь не гладко и вызывало весьма значительные разногласия.

Именно Клаузиус вводит более сложные представления о формах движения молекул: кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебания относительно положения равновесия в твердом теле, каждая молекула обладает и внутренними движениями. В газе все направления движения считались равновероятными, и Клаузиус не пытается найти закон распределения молекул по скоростям. В своих расчетах он, как и Крениг, условно приписывает всем молекулам одинаковые значения скорости, соответствующее среднему статистическому.

Вопросы о характере движения молекул были глубоко разработаны Дж. Максвеллом (1831 - 1879 г.г.) «… Легко увидеть, - писал он, - что, если столкновения имеют место для очень большого числа молекул, то их скорости станут различными, даже если они первоначально равны…». При этом Максвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно меняться при каждом ее столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать судьбу каждой отдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно. Если задать определенное направление скорости, то разброс количественных значений скоростей молекул будет подчинен такому же закону, что и рассеяние пуль при стрельбе в цель или разброс ошибок при измерении некоторой величины, то есть закону случайных событий.

Успехи молекулярно-кинетической концепции были не только значительны, но и поучительны. Но не все в ее истории было легко и гладко. Введение в физику молекулярно-кинетической концепции вызвало в 19 веке острые споры и разногласия, в ходе которых были поставлены под вопрос как сам метод, так и положенные в его основу исходные физические допущения. Острые и полные драматизма споры наложили отпечаток на судьбы физики и физиков. Не без влияния острых разногласий и раскола среди физиков Л. Больцман, страстный защитник и приверженец молекулярно-кинетической концепции, многие годы не чувствуя поддержки и понимания своих взглядов, в 1906 г. покончил жизнь самоубийством.

Молекулярно-кинетическая концепция с самого начала имела принципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структуру вещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях, твердых телах. Тем не менее, гипотеза о существовании атомов и молекул имела весьма влиятельных противников вплоть до начала 20 века. С молекулярно-кинетической концепцией конкурировала так называемая аксиоматическая термодинамика. Теоретические и практические успехи аксиоматической термодинамики были весьма велики. На ее основе любые процессы получали теоретическое обоснование с опорой на закон сохранения энергии. Возникала перспектива построения всей физики на базе термодинамики, т.е. перехода от механической картины мира к термодинамической. Многие физики стали в связи с этим говорить, что начинается новый этап развития физики - на смену физике механической приходит будто бы физика энергетическая. Сложившуюся ситуацию использовали представители махизма, утверждавшие, что из физики надо выбросить всякие упоминания об атомах и молекулах, как вообще о материи. Таким образом, на фоне широкого спектра принципиальных разногласий в научном сообществе того времени физика атомистическая (основывающаяся на методе структурных теоретических моделей) столкнулась с физикой энергетической (на основе общих принципов). Это была одновременно и борьба двух альтернативных линий в выборе направления дальнейшего развития физической картины мира.

Как не раз случалось в истории физики, был предложен и формальный, постулативный путь: не вдаваясь в конкретный механизм причинных связей, указать те постулаты, которые необходимы, чтобы обосновать возникновение статистических закономерностей в системах, отдельные элементы которых подчинены динамическим законам механики. Эти постулаты известны в истории как постулаты Крылова. Их содержание приводит к выводу, что независимо от начального состояния (или любого другого) каждая система приходит с наибольшей вероятностью к равновесному состоянию. Это означает, что существуют общие закономерности поведения систем из многих частиц, не зависящие от конкретного начального состояния отдельных молекул. В связи с этим становится понятным, что в детальном знании движения каждой отдельной молекулы просто нет необходимости, поскольку общее интегральное поведение системы не определяется начальными условиями, присущими отдельным молекулам. Сказанное означает также, что данные постулаты не могут быть выведены из законов классической механики, применяемых к движению отдельных молекул.

Вскоре было установлено, что сложные динамические системы обладают самодетерминацией - их поведение полностью определяется внутренними связями и взаимодействиями. Благодаря самодетерминации такая система находится в состоянии подвижного, динамического равновесия. В системах с самодетерминацией устойчивость возникает благодаря эффекту обратных связей: при отклонении от устойчивого состояния возникают процессы, возвращающие систему в это состояние. Такого рода процессы обусловлены тем, что в системах с самодетерминацией и динамичным равновесием существенны не только элементарные взаимодействия, но и совокупность системных связей в целом. Применяя это общее свойство систем с динамичной устойчивостью к случаю поведения газа в замкнутом объеме, можно сказать: возникновение малых (микроскопических) флуктуаций есть необходимое следствие хаотического движения молекул, но каждая такая наметившаяся флуктуация создает локальный процесс обратного действия (обратную связь), ведущий к рассасыванию этой флуктуации. Другими словами - флуктуации - это не только отклонения от равновесного состояния в локальных областях, но и тот механизм, действие которого возвращает систему к состоянию, близкому к равновесному (это состояние разрушается новыми флуктуациями). И именно по этой причине макроскопические флуктуации принципиально невозможны, тогда как микроскопические возникают с необходимостью.

Таким образом, применить механическую картину мира для создания объясняющей теории газов удалось лишь ценой существенного изменения представлений о детерминизме. Введение статистических законов, хотя оно оказалось первоначально лишь условным приемом, в конечном счете обернулось рождением нового взгляда на содержание физической картины мира: перед взором физиков стал открываться мир вероятностных процессов. На первых порах это был еще мир материальных точек, движущихся в пространстве с течением времени. Но характер связи между ними уже требовал иного представления, чем ранее. Произошел принципиальный сдвиг в физической картине мира. Ее теперь правильнее было бы называть вероятностно-механической. Создание физической теории, опирающейся на измененную в некоторых принципиальных моментах физическую картину мира, правомерно, видимо, считать частной революцией в физике. При этом подтвердилось и конкретизировалось предвосхищенное в общих чертах Галилеем представление о сложности структуры отношения субъекта к познаваемому объекту: внешние проявления процессов необходимо выводить из представлений об их внутренней сущности, непосредственно не наблюдаемой. Таким образом, сущность данного уровня познания природы предстала как молекулярная структура движущейся материи со статистическим типом детерминизма. История развития представлений о тепловых процессах в газах достаточно убедительно показывает, что процесс рождения новых научных знаний включает в себя, по меньшей мере, три основных этапа: 1) установление серии разрозненных эмпирических обобщений и законов; 2) формальное объединение частных законов в обобщенный; 3) разработка образов новой физической картины мира.

Электромагнитная картина мира

Картина непрерывного распределения средних величин, о котором говорила молекулярная теория и классическая электродинамика, была необходимой исторической подготовкой картины непрерывного распределения переменных реального поля - представления, фигурировавшего в электродинамике Фарадея-Максвелла.

До Фарадея (Майкл Фарадей 1791 - 1867 г.г.) и Максвелла понятия реального поля, можно сказать, вообще не существовало. Упругий эфир полем не являлся, а силовые поля, фигурировавшие в теории тяготения, в электростатике и магнитостатике, не рассматривались как реальная среда. В физике 18-19 в.в. подготовка понятия реального поля происходила двумя путями. Во-первых, механические концепции эфира сталкивались с противоречиями, и это расчищало путь немеханическому представлению о среде, как реальном силовом поле. Во-вторых, к такому представлению вело развитие формальной концепции поля. Эти две линии пересекались в работах Максвелла.

В кинетических моделях эфира рисовали смещения его частиц. Эфир подобно любому другому веществу был чем-то движущимся: его элементам можно было приписать вектор скорости. У Фарадея смещения эфира были заменены динамическими деформациями. Но он пошел и дальше, отождествляя среду, передающую взаимодействие зарядов с силами, придав тем самым силам новый смысл. Более того, Фарадей низвел заряды до ранга вторичных образований. Эта идея не вытекала однозначно из опытов, но она была связана с ними - отчасти обобщала имевшиеся данные, выходя за их рамки, отчасти предвосхищала новые опыты.

Изложенная теория не принесла бы победы идее близкодействия, если бы Фарадей не открыл новой области электрических явлений. Как известно, статические электрические и магнитные поля могут быть описаны как с точки зрения дальнодействия, так и в свете учения об эфире при помощи одного и того же математического аппарата - дифференциальными уравнениями, не включающими зависимости от времени.

Принцип действия на расстоянии был систематически применен к объяснению электрических явлений во второй половине 18 века. В 1759 году Эпинус (1724 - 1802 г.г.) стал рассматривать электрическое притяжение и отталкивание как силы, действующие на расстоянии, подобно ньютонову тяготению. Началом математической разработки электростатики был закон взаимодействия электрических зарядов. Он был найден Пристли (1733 - 1804 г.г.) и независимо от него Кавендишем (1731 - 1810 г.г.) в 60-70-е годы 18 века. Но закон носит имя Кулона (1736 - 1806 г.г.), который подтвердил его непосредственными измерениями. Этот закон стал исходным пунктом математической разработки электростатики. Ее основные задачи сводятся к следующему. Дана система проводников, несущих заданное количество электричества. Нужно вычислить, как распределится заряд и какие силы притяжения и отталкивания возникнут между зарядами. Эти задчи решались с помощью дифференциальных уравнений, описывающих непрерывное изменение напряженности электрического поля от точки к точке. Величина, связанная с непрерывно меняющейся напряженностью - потенциал - стала центральным понятием электростатики. Теория электрического потенциала опиралась на дифференциальные уравнения и рассматривала бесконечно малые приращения напряженности от одной точки к другой, непосредственно к ней примыкающей. Подчеркнем, что непрерывный характер указанной основной для электростатики величины не означает еще, что электростатика превратилась в теорию близкодействия, что в теорию электричества вошло представление о действии через некоторую непрерывную физическую среду. Без элементов, указывающих зависимость от времени, дифференциальные уравнения могут оставаться математическим аппаратом теории дальнодействия.

М. Фарадей экспериментально показал, что в зависимости от той или иной среды меняется сила притяжения или отталкивания зарядов. В пустоте она больше всего, а в других средах меньше, причем, каждому диэлектрику соответствует постоянная величина, которая должна войти в формулу закона Кулона. Это - диэлектрическая постоянная. Промежуточная среда характеризуется постоянной магнитной проницаемостью. Понятие магнитной проницаемости было введено на основе многочисленных опытов. Фарадей стремился показать, что полюсы магнитов в некоторой степени действуют на всякую среду. Для этого он подвешивал различные немагнитные материалы под полюсами сильных магнитов. В конце концов ему удалось доказать, что магниты действуют на все тела, причем некоторые из них под влиянием магнита располагались перпендикулярно его оси. Такие тела Фарадей назвал диамагнитными, а обычные магнитные тела он впоследствии назвал диамагнитными.

Теория магнетизма, подобно фарадеевской теории электрического поля не противоречила коренным образом физике дальнодействия. И та, и другая пользовались понятием среды, характеризуемой диэлектрической постоянной в случае электрического поля и магнитной проницаемость в случае магнитного поля. Но действие через эту среду не зависело явным образом от времени. Переходом к иному кругу взаимодействий было открытие электромагнитной индукции. Оно показало, что электродвижущая сила в проводнике возникает каждый раз, когда возрастает или уменьшается магнитное поле. Фарадей сделал отсюда заключение, что в пространстве, окружающем магнит, физическая среда претерпевает некоторую деформацию и возвращается в исходное состояние, когда магнит исчезает. Изменение этого состояния вызывает электродвижущую силу. В результате, было разработано учение о силовых линиях. Причем Фарадей решительно утверждал реальность физического существования силовых линий. Фарадей возвращается к абсолютной заполненности пространства. Если считать атомы центрами сил, считает Фарадей, то материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею. Но концепция ученого уже далеко не картезианская. Идея заключается в материальности силового поля. Фарадей скептически относится к традиционным механическим концепциям эфира, считая, что эфир ничем не отличается от обычной материи. Никто до Фарадея не говорил о материальности сил, не предполагал, что силовые поля это не результат механических перемещений, не формальная схема, что оно само по себе является материальной субстанцией.

Идея реальных силовых линий позволила Фарадею дать рациональное объяснение всем известным в то время фактам. Но она не была единственно возможным объяснением. Идея дальнодействия также могла дать непротиворечивое истолкование фактов. Фарадей не всегда это понимал. Он считал, что распространение индукции от точки к точке по кривым линиям служит непререкаемым аргументом против дальнодействия. Решающие эксперименты, результаты которых вступили в противоречие с дальнодействием, были сделаны значительно позже. Когда электродинамика середины 19 века в лице Максвелла остановилась на распутье, перед нею еще не было экспериментального кризиса, показывающего единственно правильную дорогу. Выбор, однако, был сделан. Максвелл утверждает, что в области электромагнетизма нужен такой метод исследования, который на каждом шагу основывался бы на ясных физических представлениях.

Такая физикализация математики у Максвелла фактически представляла встречное течение уже произошедшей математизации физики у Лагранжа, открывшего новые горизонты классической механики, введя понятие об обобщенных координатах. Эти два течения - две формы одного процесса. Лагранж своими работами, основанными на вариационном принципе, дал такие математические обобщения механики, которые могли быть применены к немеханическим процессам. Максвелл интерпретировал уравнения Лагранжа, находя при помощи условных аналогий их немеханический физический эквивалент.

Следует подчеркнуть, что уравнения Максвелла не сводятся к переводу идей Фарадея на язык математики. Они включают нечто новое - фактическую возможность определить изменение поля в пространстве и во времени, если заданы начальные и граничные условия, и получить такие выводы, которые не могли быть получены из простых моделей полей. Эти выводы допускают экспериментальную проверку и, следовательно, позволяют экспериментально решить вопрос о реальности поля.

В теории Максвелла основными переменными являются напряженности электрического и магнитного полей. Эти переменные суть функции четырех независимых переменных - трех пространственных координат и времени. Изменение напряженности электрических и магнитных полей - исходный, основной процесс, который описывается уравнениями Максвелла. Возмущения поля распространяются от точки к точке с конечной скоростью, и его структура дается в форме дифференциальных уравнений в частных производных, уравнений, содержащих частные производные переменного поля по пространственным координатам и по времени. Метод Максвелла - стремление придать физический смысл математическим абстракциям теории поля - принес ему большую победу, когда он обобщил понятие тока и ввел понятие тока смещения, измеряемого производной по времени от индукции электрического поля. Ток смещения имеет такую же физическую реальность, как и ток проводимости. Максвелл предположил, что токи смещения создают магнитное поле. Надо подчеркнуть, что эксперименты Фарадея и вообще все эксперименты, известные Максвеллу, не давали ему права написать такое уравнение, которое связывало бы токи проводимости и токи смещения. Именно в этой гениальной догадке - исходный пункт электромагнит ной теории света, волнового уравнения и радикального доказательства близкодействия - картины электромагнитного поля в отсутствие зарядов. Это уравнение означало, что при всяком изменении магнитного поля возбуждается электрическое поле, ток смещения в диэлектриках и ток проводимости в проводниках.

Таким образом, в физике победила идея близкодействия. Близкодействие в классической электродинамике - это четырехмерное близкодействие, связанное с конечной скоростью распространения деформации поля. Появление переменного, зависящего от времени, электрического поля в исходном контуре вызывает появление магнитного поля, т.е. переменное, зависящее от времени, магнитное поле. Но переменное магнитное поле вызывает возникновение переменного электрического поля. Поэтому пока в первичном контуре будут происходить периодические изменения направления тока или вообще, пока в некоторой точке будет иметь место периодические колебания электрического поля, во все стороны будут распространяться электромагнитные волны - периодические колебания в каждой точке пространства, вызывающие колебания той же частоты в соседних точках. Такое представление об электромагнитных волнах, которое Максвелл отождествил со светом, таило в зародыше радикальный отказ от механической концепции эфира.

Одновременно с созданием Максвеллом классической электродинамики появились представления о локализации энергии в пространстве. В 1874 году Н. Умов (1846 - 1915 г.г.) определил плотность энергии в произвольной точке среды как частное от деления количества энергии, заключенного внутри бесконечно малого элемента объема, на величину этого объема. Он вводит понятие плотности потока энергии - произведение плотности энергии на скорость ее движения. Десять лет спустя Д. Пойнтинг (1852 - 1914 г.г.), исходя из принципа локализации энергии, развил аналогичные представления для случая энергии электромагнитного поля.

Из принципа сохранения энергии вытекает, что электромагнитная энергия, сосредоточенная на некотором участке покоящегося однородного поля, может уменьшаться или увеличиваться только в том случае, когда она превращается внутри этого участка в другие формы, либо когда она приходит из окружающего пространства или уходит в него. Если дополнить принцип сохранения энергии принципом близкодействия, становится ясно, что электромагнитная энергия может проникнуть внутрь участка только через его поверхность. Таким образом, баланс энергии зависит от потока энергии через поверхность рассматриваемого участка пространства, причем, поток электромагнитной энергии определяется в каждой точке значением напряженности электрического и магнитного полей. Этот поток энергии пропорционален векторному произведению указанных величин и получил название вектора Умова-Пойнтинга.

В последней четверти 19 века все отчетливее становилась фундаментальная роль принципа локализации энергии. Понятия, выросшие в электродинамике, двинулись по направлению к механике. Историческую роль при этом сыграло открытие П. Лебедева, экспериментально доказавшего существование светового давления. Это открытие вызвало появление ряда работ, в которых последовательно выводились понятия импульса и массы электромагнитных волн. Подобные понятия и идеи означали постепенное подчинение механики более общим законам электромагнитных явлений и вели к новой физической картине мира.

Теория относительности

Какова абсолютная скорость Земли? Желание узнать ответ на этот вопрос привело к созданию теории относительности ( так называли первый вариант этой теории). Впоследствии, когда А. Эйнштейн построил новую, более общую теорию, первый вариант стали называть частной, а второй вариант - общей теорией относительности.

Мы уже знаем, что если в некоторой системе отсчета выполняются законы ньютоновой механики, в том числе закон инерции, то эта система отсчета инерциальна. Покоящаяся на поверхности Земли система отсчета является инерциальной потому, что в ней неподвижны стоящие на Земле здания. Точно так же инерциальна система отсчета, находящаяся в поезде, идущем с постоянной по величине и направлению скоростью, поскольку упомянутые здания в этой системе отсчета все движутся с одной и той же постоянной скоростью, противоположной по направлению скорости поезда. Таким образом, инерциальных систем отсчета бесконечно много. Если ограничиться чисто механическими явлениями, то все инерциальные системы эквивалентны друг другу, ни одна из них не лучше другой, так как любое механическое явление можно наблюдать из какой угодно инерциальной системы отсчета, и во всех инерциальных системах отсчета ньютоновские законы механики выражаются одинаковым образом. Иначе говоря, если из некоторой инерциальной системы отсчета  пересесть в другую инерциальную систему , то не получится, что какое-то механическое явление произошло в  и не произошло в , и при пересадке из  в  не придется изменять или исправлять законы механического движения тел. Это утверждение составляет содержание принципа относительности Г. Галилея.

Напротив, наблюдатель, находящийся в неинерциальной системе отсчета, например, в автомобиле, двигающемся зигзагами, обнаружит, что открывающиеся его взгляду явления не подчиняются законам ньютоновой механики, которые в данном случае нужно исправить, чтобы учесть зигзагообразное движение автомобиля. Необходимость таких обременительных исправлений показывает, что вообще говоря неинерциальные системы «хуже» инерциальных. Сказанное относится лишь к чисто механическим явлениям, то есть таким, при наблюдении которых интересуются только ответом на вопрос, как же те или иные тела изменяют свое движение под действием внешних сил. Ситуация меняется при учете немеханических явлений, например, оптических, электрических или магнитных. Вспомним, что, согласно уравнениям Максвелла, скорость света в вакууме . Это утверждение - закон, подтверждаемый также и экспериментально.

Опыт, показывавший, что в согласии с уравнениями Максвелла скорость света равна , выполнен в системе отсчета , покоящейся относительно Земли. Если это же наблюдение повторить в другой инерциальной системе , например, в поезде, движущемся с постоянной по величине и направлению скоростью, то (по Галилею) для скорости света должен получиться результат, отличающийся от . Следовательно, уравнения Максвелла, выполняющиеся в , должны как то измениться при переходе в . В этом смысле система  «хуже» системы . Более того, скорость света должна отличаться от  в любой другой инерциальной системе, движущейся относительно системы , значит, уравнения Максвелла придется исправлять по-своему для каждой инерциальной системы, движущейся относительно . Таким образом, при учете оптических и электромагнитных явлений оказывается, что все инерциальные системы отсчета, за исключением тех, которые покоятся относительно системы отсчета , надо забраковать. Такой вывод о исключительном месте Земли (система ) был бы чересчур самонадеянным. Скорее, мы на Земле не занимаем столь привилегированного положения. Но где же тогда находится та исключительная инерциальная система отсчета, в которой верны законы электромагнетизма? Такую гипотетическую исключительную систему отсчета назвали в свое время абсолютной системой. Если покоящаяся относительно Земли система отсчета  не абсолютна, то спрашивается: с какой скоростью и в каком направлении она движется относительно абсолютной системы отсчета. Вообще для любого тела величину и направление его скорости, регистрируемые из абсолютной системы отсчета, в то время называли абсолютной скоростью этого тела. Для жителей Земли было, конечно, очень интересно узнать, какова абсолютная скорость нашей планеты.

Какая же инерциальная система может претендовать на роль абсолютной? В свое время была популярна следующая модель такой системы. Представим себе Вселенную, в целом невообразимо огромное скопление вещества, включающее все звезды и туманности. Вне этого гигантского объединения вещество вообще должно отсутствовать, значит, на него не действуют внешние силы. Обозначим центр тяжести такой Вселенной и свяжем с ним инерциальную систему отсчета (центр G). Вспомним, что по теории эфира Вселенная полностью погружена в огромное «эфирное море». Обычно идею эфира связывают с именем голландского физика Х. Гюйгенса (1629 - 1695 г.г.). Но в действительности о веществе, которое получило название эфир, впервые заговорил английский физик Р. Гук (1635 - 1703 г.г.), современник И. Ньютона. Стимулом для разработки теории эфира послужили исследования природы света. Были выдвинуты две противоборствующие концепции: корпускулярная теория, по которой свет представляет собой поток мельчайших частиц, несущихся с огромной скоростью, и волновая теория, утверждающая, что свет - некие волны. И. Ньютон считал более верной корпускулярную теорию, а Р. Гук - волновую. Для корпускулярной теории тяжелым ударом явилось открытие в 1665 году явления дифракции. А волновая теория в то же время не могла объяснить прямолинейного распространения света в вакууме. Гук предположил, что световые волны являются колебаниями некоторого вещества, которое Гюйгенс впоследствии и назвал эфиром. Значит, центр тяжести Вселенной G неподвижен относительно этого эфира, и при наблюдении из системы отсчета  скорость света независимо от его направления равна . Иначе говоря, при наблюдении из  справедливы уравнения Максвелла, то есть система  абсолютна. Следовательно, абсолютная скорость Земли не что иное, как ее скорость относительно эфира.

Было известно, что для определения скорости Земли относительно эфира надо измерять зависимость величины скорости света на Земле от направления его распространения. В конце 19 века было выполнено много экспериментов, основанных на этих соображениях. Первая экспериментальная установка была построена и испытана А. Майкельсоном в Берлине. Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии близкого друга и сотрудника Майкельсона Г. Морли. Учеными был создан зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый «эфирный ветер». Опыты Майкельсона-Морли и на сегодняшний день можно считать одними из самых знаменитых и выдающихся в истории физики. По словам самого Эйнштейна, они имели огромное значение для рождения теории относительности.

Во всех опытах использовалась -образная установка . На биссектрисе прямого угла располагалось полупрозрачное зеркало: половину попадавшего на него света зеркало пропускало, а половину - отражало. Оба плеча установки имели одинаковую длину, на концах плеч располагались зеркала, полностью отражавшие весь падающий на них свет. Предположим, что Земля движется сквозь покоящееся эфирное море со скоростью  параллельно одному из плеч установки (см. рис.). Испущенный источником свет сначала разделяется на два пучка, а затем эти пучки вновь соединяются в интерферометре. Получается, что оба пучка должны попасть в интерферометр в разное время. Рассмотрим причину этого различия.

Так как длины плеч совпадают, то два пучка с точки зрения земного наблюдателя прошли одинаковые пути, но затратили на их прохождение разное время, ибо, согласно эфирной теории, скорости распространения пучков на этих путях различались (в одном направлении , в обратном , в другом направлении - еще более сложная зависимость)). С точки зрения наблюдателя, покоящегося относительно эфирного моря, дело выглядит несколько проще: скорости обоих пучков света одинаковы, а различаются пройденные пути (из-за движения установки относительно эфира) В результате оказывается, что моменты прихода пучков в интерферометр не должны совпадать. Цель опытов Майкельсона-Морли как раз и заключалась в том, чтобы уловить эту незначительную разницу при помощи интерферометра. Понятно, что если Земля покоится относительно эфира, то никакой разницы наблюдаться не должно.

Поскольку направление абсолютной скорости Земли заранее не известно, сделанное допущение о параллельности плеча установки и направления абсолютного движения Земли может быть неверным. Чтобы исключить связанную с этим ошибку, экспериментальную установку вращали относительно стен лаборатории на 360 градусов. Тем не менее, никакого относительного запаздывания во времени прихода световых пучков обнаружено не было. Значит, в соответствии с первоначальными рассуждениями надо сделать вывод, что Земля покоится относительно эфира.

Понятно, что с таким заключением было трудно согласиться. В результате появились заявления о том, что опыт Майкельсона вовсе не означает равенство нулю абсолютной скорости Земля: Земля движется сквозь эфир с ненулевой скоростью, но обнаружить это движение в опыте Майкельсона невозможно.

В рассуждениях Майкельсона не было ошибки: физика того времени допускала возможность наблюдения абсолютного движения Земли. Значит, если оно в действительности не наблюдаемо, то необходимо внести исправления в основы тех рассуждений, которые привели к выводу о наблюдаемости такого движения. Такая революционная мысль вдохновляла многих, и в предложениях недостатка не было. Наиболее известной и оказавшей самое значительное влияние на умы современников была гипотеза о сокращении масштабов, выдвинутая голландским физиком Х. А. Лоренцем (1853 - 1928 г.г.). По мысли Лоренца, если некий стержень в состоянии покоя имеет длину , а при движении относительно эфира длину , то  в случае, когда направление абсолютного движения перпендикулярно стержню, и , если стержень движется вдоль своей длины. Если учесть этот факт, то получается, что в опыте Майкельсона-Морли световые пучки затрачивают на пройденные пути одинаковое время. Следовательно, этот опыт не может позволить обнаружить абсолютное движение Земли.

Таким образом, оказывалось, что абсолютное движение Земли не наблюдаемо и обнаружившееся было противоречие между основами физики того времени и опытом устранялось. Лоренцева гипотеза на некоторое время «спасла» лицо тогдашней физики. Но означала ли эта гипотеза подлинное решение вопроса? Конечно, нет. Она только подменяла один вопрос другим. С точки зрения физики проблема не могла считаться решенной до тех пор, пока не найдено объяснение, почему движущееся тело изменяет свой размер в направлении движения.

Пытаясь обосновать гипотезу сокращения масштабов, Лоренц, в частности, рассуждал следующим образом. Против того, что уравнения Максвелла справедливы в абсолютной системе отсчета, никто не возражает. Но может быть отрицательный результат опыта Майкельсона указывает нам, что уравнения Максвелла в неизменном виде справедливы также и в любой другой инерциальной системе, движущейся относительно эфира в каком угодно направлении с какой угодно скоростью? Тогда для земного наблюдателя скорость света была бы во всех направлениях одинакова. И Лоренц задался вопросом: как нужно изменить правило сложения скоростей для того, чтобы во всех этих системах уравнения Максвелла имели одинаковую форму.

Таким образом, речь шла об изменении формы связи между результатами наблюдений одного и того же тела из разных систем отсчета. В физике преобразованием системы координат называют правило, показывающее, как связаны между собой наблюдения одного и того же тела при изменении точки зрения на него, то есть при переходе наблюдателя из одной инерциальной системы отсчета в другую. Вывод обычного правила сложения скоростей основан на применении галилеевых преобразований систем координат. Идея Лоренца состояла в том, чтобы вместо этих преобразований вывести новые, которые почти не отличались бы от галилеевых для явлений повседневной жизни и в то же время изменяли бы формы законов электромагнитного поля. Иначе говоря, Лоренц требовал, чтобы законы электромагнетизма во всех инерциальных системах отсчета имели одинаковый вид. Искомые преобразования Лоренц нашел. Сейчас их называют преобразованиями Лоренца. Разумеется, из них вытекает гипотеза сокращения размеров. И все же поначалу было трудно понять явление сокращения длины тел в направлении их движения, в частности, то, что коэффициент сокращения определяется только скоростью движения и не зависит от свойств вещества, из которого состоит тело. Чтобы по-настоящему понять это потребовалось создание новой теории.

Современники по-разному оценивали результат опытов Майкельсона-Морли. Те, кто видел в нем лишь попытку определить абсолютную скорость Земли, считали, что опыт закончился неудачей. Но так думали не все. Ведь проблематичным было само существование абсолютной системы отсчет. Может быть и постановка вопроса об абсолютной скорости Земли тоже неправомерна? Если так, то результат опытов надо понимать как ясное указание природы на то, что в инерциальных системах отсчета, связанных с Землей, скорость света, независимо от направления его распространения, постоянна и равна , то есть совпадает с величиной, следующей из уравнений Максвелла. Но тогда выходит, что Майкельсон и Морли установили важнейший экспериментальный факт, и их опыты завершились огромным успехом.

Похоже, что создатель новой теории А. Эйнштейн (1879 - 1955 г.г.) придерживался второй точки зрения. «Похоже», потому что в своей статье 1905 года «К электродинамике движущихся сред» - первой из статей, посвященных теории относительности, он не упоминает имени Майкельсона. Однако опыты Майкельсона-Морли оказали на Эйнштейна большое влияние.

А Эйнштейн постулировал, что все физические законы выглядят совершенно одинаково в любых инерциальных системах отсчета. Это утверждение известно как эйнштейновский принцип относительности (частный принцип относительности). Если следовать этому принципу, т о различные инерциальные системы отсчета совершенно равноправны по отношению ко всем физическим явлениям, так что особая абсолютная инерциальная система отсчета просто не может существовать. Следовательно, попытки определить абсолютную скорость бесцельны. С этой точки зрения отрицательный результат опытов Майкельсона-Морли надо воспринимать как естественный.

Частный принцип относительности не содержит конкретного рецепта правильной записи физических законов: чтобы внести в них нужные исправления надо привлечь дополнительные соображения. Мы уже отмечали, что Лоренц такие соображения нашел: правила перехода от одной инерциальной системы к другой он конкретизировал, потребовав, чтобы уравнения Максвелла выглядели совершенно одинаково в любой инерциальной системе отсчета. Однако, если берешься за исправление всех физических законов, то желательно по возможности избегать опоры на какую-то, хотя может быть и верную, но слишком узкую теорию (например, на теорию Максвелла). В будущем в такой узкой теории могут вскрываться те или иные недостатки, и тогда построенную на ее основе общую физическую теорию придется снова переделывать. Предпочтительнее избрать в качестве принципа перестройки всей физики какой-либо твердо установившийся и охотно всеми признаваемый экспериментальный факт. Лоренц при выводе своих преобразований опирался на теорию Максвелла, но она в полном объеме ему была и не нужна. И Эйнштейн построил новую физическую систему, получившую название частной теории относительности, используя в качестве исходного принципа только одно из положений теории Максвелла. Конечно, принцип Эйнштейна согласуется с теорией Максвелла, но поскольку она к этому принципу не сводится, то даже если в будущем в ней обнаружатся дефекты и от нее придется отказаться, избранное Эйнштейном в качестве основы утверждение может остаться верным, и тогда частная теория относительности выживет. Эйнштейн постулировал, что скорость света в вакууме не изменяется при изменении состояния движения источника свет. Иначе говоря, он потребовал, что бы скорость свет в вакууме не зависела от того, движется или покоится источник. Это требование Эйнштейна называют принципом постоянства скорости света.

Объединение принципа относительности и принципа постоянства скорости света в вакууме приводит к ряду интересных следствий, неприемлемых для обычного здравого рассудка. Поэтому появление частной теории относительности было сенсационным не только для широкой публики, но и для специалистов-физиков.

Преобразованием пространственно-временных координат называют правило перехода от пространственных координат и времени, используемых для описания траектории тела в одной системе координат, к новым координатам, при помощи которых описывается траектория того же тела в иной системе координат. Исходя из постулированных двух принципов Эйнштейн вывел такие преобразования. Оказалось, что они полностью совпадают с преобразованиями Лоренца. Но вывод Эйнштейна был фундаментальным и более простым. Кроме этого, было введено новое понятие - пространственно-временной континуум, которое прояснило, наконец, смысл преобразований Лоренца. Образно говоря, частный принцип относительности и принцип постоянства скорости света - родители преобразования Лоренца: в нем оба указанных принципа получили единое и конкретное воплощение. Кроме нахождения такого преобразования, надо было внести еще исправления во все физические законы, чтобы сделать их инвариантными относительно лоренцевых преобразований. И Эйнштейн такую работу выполнил. Он переписал заново всю физику. Именно эта новая физика и составляет содержание частной (специальной) теории относительности (СТО). Запись уравнений ньютоновой механики в форме, согласующейся с СТО, приводит к выводу о том, что инертная масса движущегося тела больше массы того же тела в состоянии покоя и что энергия тела пропорциональна его инертной массе.

Хотя все перечисленные эффекты и противоречили здравому смыслу, но связанные с ними отклонения по величине настолько малы, что в повседневной жизни заметить их практически невозможно. Например, если ракета длиной 50 м летит со скоростью 100 км/с, то лоренцево сокращение длины ее корпуса составляет всего 0,003 мм. Помещенные на этой ракете часы по сравнению с часами на Земле будут отставать на 0,0002 с за час.. При нагревании одной тонны воды от нуля до ста градусов ее масса увеличится на 0,005 мг - такую маленькую добавку к массе одного кубометра воды и представить себе трудно. Таким образом, хотя на первый взгляд выводы из специальной теории относительности выглядят как чрезвычайно революционные, в действительности предсказываемые ею отклонения от того, к чему мы привыкли в нашей повседневной жизни, пренебрежимо малы. Но поскольку эта теория произвела революционный переворот в самых основах физического мышления, она оказала огромное влияние на последующее развитие науки.

Теория относительности по-новому осветила также и понятие энергии. Как было известно до начала 20 века, энергия - это разновидность способности, это - не масса. И тем не менее, согласно СТО, в какой бы форме энергия не выступала, она сама по себе обладает пропорциональной ей по величине инертной массой. И обратно: когда нечто обладает тяжестью, в этом «нечто» обязательно заключена энергия.

Говоря о том, что Эйнштейн привел в соответствие с СТО все законы физики, мы допускаем неточность. С ней никак не удавалось согласовать закон всемирного тяготения. Это - один из недостатков СТО. Ведь существует сколько угодно систем отсчета, не являющихся инерциальными. Строго говоря, неинерциальна уже и система, связанная с Землей. Но СТО ничего не сообщает нам о том, как изменяются физические законы при переходе в неинерциальную систему отсчета. Это тоже слабость теории. Отмеченные слабые места СТО указывают на границы ее применимости. Из попыток преодоления этих проблем родилась еще более великая теория - общая теория относительности.

Формулируя принципы общей теории относительности, Эйнштейн неоднократно прибегает к анализу мысленных экспериментов. Вот один из них. Вообразим ящик, покоящийся во Вселенной настолько далеко, что на него не действуют никакие внешние силы. Ящик этот буквально парит в воздухе. Находящийся в ящике человек, выпуская из рук яблоко, обнаруживает, что оно неподвижно парит рядом с ним, из чего он заключает, что находится в инерциальной системе отсчета. Но однажды утром, выпустив из рук чашку и яблоко, человек обнаруживает, что оба эти предмета падают по направлению к полу с одинаковым ускорением. Вчерашний опыт подсказывает наблюдателю, что его система отсчета инерциальна. Поэтому из факта падения яблока и чашки он делает вывод, что вместе с ящиком он оказался помещенным в гравитационное поле. Не иначе как за ночь под ящиком родилась огромная звезда.

А теперь представим себе еще один ящик, тоже парящий где-то далеко во Вселенной. Находящийся в нем наблюдатель также считает свою систему отсчета инерциальной, так как выпущенное из рук яблоко парит рядом. Но на это раз «бес не дремлет». Этот негодяй незаметно приделал веревку к потолку ящика и в один прекрасный день внезапно потянул ящик вверх с постоянным ускорением. Выпуская из рук яблоко и видя, что оно падает на пол, наблюдатель поймет, что что-то случилось. Какой же причиной он объяснит наблюдаемое явление? Наблюдатель, восседающий в центре тяжести далекой Вселенной видит, что относительно его инерциальной системы отсчета ящик поднимается вверх с постоянным по величине ускорением. Следовательно, связанная с ящиком система отсчет перестала быть инерциальной в тот самый момент, когда потянули за веревку. Но наблюдатель внутри ящика вряд ли придет к выводу, что его ящик кто-то тащит за веревку. Скорее, исходя из предыдущего опыта, он будет верить, что и теперь в его системе удовлетворяется закон инерции и решит, что новое поведение предметов обусловлено действием каких-то природных сил. Поскольку истинная причина видимого поведения предметов заключается в том, что ящик и сам наблюдатель ускоренно движутся вверх, все предметы падают к полу с одинаковым ускорением. Но это как раз характерный признак падения предметов в поле тяжести. Получается, что наблюдатели в ящиках испытывают совершенно одинаковые ощущения. Поэтому второй наблюдатель скорее всего примет то же решение, которое принял и первый наблюдатель: он тоже вообразит, что под его ящиком возникла новая звезда, которая и притягивает все предметы.

В третьем мысленном эксперименте мы возвратимся к первому наблюдателю, ящик с которым неподвижно укреплен над звездой и предположим, что внезапно из-под ящика выбили подставку. Под действием силы тяжести ящик со всем содержимым станет падать на звезду. Наблюдатель увидит, что он сам, а также находящиеся в ящике предметы, находятся в состоянии свободного падения и решит, по-видимому, что сила тяжести исчезла. Иными словами, наблюдатель придет к заключению: он вновь попал, как и перед появлением звезды под ящиком, в инерциальную систему отсчета, в которой не действуют никакие силы, в том числе и сила тяжести. Но наблюдатель в центре тяжести Вселенной по-иному увидит эту ситуацию: для него ящик ускоренно падает на звезду. Поэтому он решит, что система отсчета, в которой находится наблюдатель, перестала быть инерциальной, но сила тяжести продолжает действовать. Исчезновение силы тяжести, регистрируемое наблюдателем в ящике - кажущийся эффект.

Рассмотренные три мысленных эксперимент показывают, что при учете силы тяжести трудно различить инерциальную и неинерциальную системы отсчета, а запертый в ящике наблюдатель не в состоянии отличить влияние ускоренного движения ящика от действия на ящик внешнего гравитационного поля. Следовательно, в рамках СТО физика явлений в поле тяжести, действующем в инерциальной системе тождественна физике явлений в неинерциальной системе отсчет, в которой отсутствует поле тяжести. Это значит, при учете силы тяжести надо обязательно ввести в рассмотрение неинерциальные системы отсчета, то есть выйти за пределы СТО. Таким образом, неудивительно, что с нею никак не удавалось согласовать закон всемирного тяготения.

Результаты этих трех мысленных экспериментов Эйнштейн подытожил в виде двух утверждений, принятых им в качестве принципов. Первый из них гласит: В любой системе отсчета, независимо от того, является она инерциальной или неинерциальной, все звоны природы имеют одинаковый вид. Это утверждение называют общим принципом относительности. Второй принцип: Силу тяжести можно создать или уничтожить переходом в систему отсчета, движущуюся с ускорением.

Важно подчеркнуть, что сила инерции, которая в ньютоновой механике считалась ненастоящей, кажущейся силой, эйнштейновским принципом повышена в ранге до настоящей природной физической силы. Более того, она рассматривается как настоящая сила не только для механических, но и вообще для всех физических явлений. Это - крайне важная интерпретация, которой не было в ньютоновой механике. Поэтому второй свой принцип Эйнштейн назвал принципом эквивалентности. В отсутствие же силы тяжести верна СТО.

Общую теорию относительности иногда понимают как простое обобщение специальной или частной. Но с самых первых шагов эта теория имела связь с проблемой тяготения. Она, можно сказать, и задумана была для прямого рассмотрения гравитации, которую не удавалось описать в рамках частной теории, то есть, мыслилась Эйнштейном как релятивистская теория гравитации, призванная заменить ньютоновскую теорию всемирного тяготения. Иначе говоря, общую теорию относительности можно трактовать как грандиозную эпопею о совершенно новых идеях по поводу природы тяготения. Эйнштейн пришел к этим идеям, рассматривая ставший знаменитым мысленный эксперимент с лифтом.

Обсудим вопрос о том, искривляет ли свой путь свет под действием силы тяжести. Свет - это разновидность электромагнитных волн, иначе говоря, распространение переменной напряженности электрического и магнитного полей. Свет - это не тяжелое вещество. А по закону всемирного тяготения источниками силы тяжести являются только физические тела, и сама сила тяжести действует только лишь на тяжелые тела. Поэтому можно подумать, что сила тяжести не влияет на электромагнитные волны. Но последние несут энергию, а по частной теории относительности энергия пропорциональна инертной массе, которая, в свою очередь, пропорциональна тяжести. Таким образом, вроде бы оказывается, что свет также имеет тяжесть. Но тогда распространяющийся в пространстве свет должен искривлять свой путь под действием притяжения Земли. Вспомним, что в свое время имела распространение корпускулярная теория света. Поскольку сообщаемое силой тяжести ускорение не зависит от массы тела, то как бы ни были легки образующие свет корпускулы, они должны, подобно камням, описывать в поле земного тяготения параболы. Наконец, обсудим вопрос с позиций эфирной теории. Сила тяжести, действуя на вещество эфира, создает в нем неоднородное распределение плотности. Мы знаем, что неоднородность плотности воздуха вблизи Земли приводит к неоднородности показателя преломления и как следствие - к искривлению пути светового луча. К аналогичному искривлению привела бы неоднородность плотности вещества эфира, возникающая в поле тяжести. Но поскольку эфир, как вещество, в действительности не существует, такое искривление лучей, по-видимому, не должно возникать. Таким образом, разные подходы к проблеме не дают определенного ответа и остается неясным, влияет ли сила тяжести на движение свет.

Для решения рассматриваемого вопроса Эйнштейн предлагает рассмотреть мысленный эксперимент с лифтом.

В левой стенке лифта (см. рис.) на расстоянии  от пола проделано отверстие . Сначала лифт подвешен на веревке и покоится в положении . Точно напротив отверстия расположен погашенный фонарь.

В некоторый момент времени фонарь вспыхивает и снова гаснет. В этот же самый момент перерезается веревка. И лифт начинает свободно падать в поле тяжести Земли. Прошедший в отверстие  свет в первый момент движется горизонтально в направлении противоположной стены . Как поведет себя этот луч света в дальнейшем? Ответ зависит от того, движется наблюдатель, или нет.

Для наблюдателя , находящегося в лифте, полностью исчезает гравитационное поле во время свободного падения лифта. Особенно важно подчеркнуть, что исчезновение тяжести не просто формально-механическое преобразование, а физический факт: поле тяжести исчезает также и для света. Следовательно, наблюдатель  не может сомневаться в справедливости частной теории относительности. Проникший в отверстие  горизонтальный луч света будет, не меняя направления, распространяться со скоростью  к противоположной стене. Обозначая через  ширину лифта, получим, что через  секунд после вспышки луч света достигнет точки , находящейся как раз напротив точки .

Теперь послушаем наблюдателя . По его мнению, всюду - внутри и вне лифта - действует притяжение Земли. В момент вспышки света лифт имел нулевую начальную скорость, а в течение всего времени распространения света от точки  до точки  лифт свободно падал в земном поле тяжести со все возрастающей скоростью. Положение лифта в момент, когда свет достиг противоположной стенки - . Точка, освещенная на противоположной стене лифта, занимает положение . Следовательно, свет на пути от  до  описал параболу. Итак, в земном поле тяжести свет движется подобно камню: его лучи искривляются по параболе. Тем самым мы ответили на поставленный вопрос. На первый взгляд ответ очень прост, но в действительности он поразителен и дает информацию для глубоких размышлений.

Рассмотрим увеличенное изображение луча света в лифте (трубка  на рис. ). Сечение трубки  дает положение конца светового луча в некоторый промежуточный момент времени, а сечение  - положение конца светового луча в некоторый последующий момент времени. За разделяющий эти сечения незначительный промежуток времени свет проходит от точки  к  и от  к . Для нашего рассуждения важно заметить, что луч света в целом изогнут в виде дуги. Значит, расстояние  меньше . Иначе говоря, лучи , идущие по нижней стороне световой трубки распространяются медленнее лучей, идущих по ее верхней стороне. Это сам по себе удивительный вывод.

Скорость света в областях, близких к источнику гравитационного поля (в нашем случае Земля), меньше скорости света в областях, удаленных от источника поля тяжести. Или, иначе, чем сильнее гравитационное поле на пути света, тем медленнее свет распространяется.

Этот вывод первоначально получен в общей теории относительности чисто теоретическим путем. Согласно ему скорость свет максимальна в отсутствие гравитационного поля, когда по частной теории относительности она равна . Экспериментальная проверка предсказаний Эйнштейна впервые была произведена во время солнечного затмения в 1919 году группой английских исследователей, которые полностью подтвердили выводы общей теории относительности. В опыте во время солнечного затмения измерялось, насколько отклонится световой луч удаленной звезды, проходящий точно по краю солнечного диска. Притяжение на краю солнечного диска примерно в 30 раз больше притяжения на поверхности Земли. И столь огромная сила тяжести отклонила световой луч всего на 1,75 угловой секунды. Поэтому в нашем повседневном опыте можно смело считать, что свет распространяется прямолинейно.

Вернемся еще раз к мысленному эксперименту с лифтом. Поскольку для находящегося в лифте наблюдателя  верна частная теория относительности, он видит, что в соответствии с законами оптики свет распространяется по кратчайшему пути, связывающему точки  и  ( в данном случае по прямой ). Но из общего принципа относительности мы знаем, что физические законы одинаковы для любого наблюдателя. Значит, законы, верные для наблюдателя , должны быть верны и для наблюдателя . Иначе говоря, видимый наблюдателем  путь луча света тоже проходит вдоль кратчайшей линии, связывающей точки  и . В евклидовой геометрии кратчайший путь между двумя точками - прямая линия. Поэтому, искривленность кратчайшего пути означает, что для наблюдателя  пространство вблизи земной поверхности не описывается евклидовой геометрией. Иначе говоря, пространство вблизи Земли не является евклидовым пространством. Но наблюдатель  видит, что луч света между точками  и  идет по прямой линии, значит, для наблюдателя  пространство, по крайней мере, внутри лифта, евклидово. С утверждением, что природа пространства (факт его евклидовости или неевклидовости) зависит от состояния движения наблюдателя, очень трудно было согласиться.

Для завершения исследования этой проблемы Эйнштейн предлагает еще один мысленный эксперимент. Пусть наблюдатель  находится в очень широком свободно падающем лифте. Земля со все возрастающей скоростью приближается к днищу лифта. Маленькие черные кружки на рисунке - пробные тела. Сила земного притяжения, действующая на эти тела, изображена сплошными стрелками, направленными к центру Земли: направления этих стрелок для разных тел, естественно, разные. Пунктирными стрелками показана действующая на тела сила тяжести «нового типа», введенная Эйнштейном. Это сила, возникающая при свободном падении лифта и направленная против направления свободного падения. Сила тяжести отсутствует для тела А: действующие на него вверх и вниз силы взаимно компенсируются, и тяжесть исчезает. Но для других тел такой компенсации не происходит, особенно хорошо это видно на примере тел  и Е. Относительно тела  о компенсации и говорить нечего, наоборот, обе силы, действующие на , направлены в одну сторону, и эффективная тяжесть тела  удваивается.

Ранее мы утверждали, что в свободно падающем лифте сила тяжести равна нулю. Но из рисунка ясно видно, что такое утверждение верно лишь для точек, находящихся вблизи тела А. Чем дальше от А, тем сильнее сказывается нескомпенсированность притяжения Земли. Причина этого - в неоднородности земного поля тяжести. Сплошные стрелки на рисунке показывают, что в разных точках сила тяжести имеет разное направление, кроме того, она быстро ослабевает при увеличении расстояния от центра Земли. Таким образом, наблюдатель  обнаруживает, что евклидова геометрия, справедливая при нулевой силе тяжести, верна только вблизи точки А. Это напоминает ситуацию с кривыми линиями: очень малый участок кривой линии легко спутать с отрезком прямой. Теперь ясно, что если в очень широком свободно падающем лифте пустить свет слева направо, то, поскольку вблизи боковых стенок лифта сила тяжести остается нескомпенсированной, наблюдатель  тоже заметит, что луч света искривился. Таким образом, окружающее Землю пространство не является евклидовым. Иначе говоря, сила тяжести эквивалентна искривлению пространства, то есть область, в которой с физической точки зрения присутствует гравитационное поле, с геометрической точки зрения является областью искривленного неевклидова пространства.

Гравитационное поле оказывает так же влияние и на ход времени. Применение двух принципов Эйнштейна приводит к выводу, что по мере приближения к источнику гравитационного поля ход времени замедляется, или, чем сильнее гравитационное поле, в которое помещены часы, тем медленнее они идут. Влияние гравитационного поля на ход времени и искривление пространства тесно взаимосвязаны. Анализ показывает, что истинная природа гравитационного поля заключается в искривлении четырехмерного пространства-времени.

До появления общей теории относительности природа пространства и времени считалась заданной от бога; она не могла быть предметом человеческой деятельности, а являлась объектом метафизики. Общая теория относительности сделала ее объектом физики, низвела до физического уровня. Это поистине революционное открытие. Для прежней физики вопрос о геометрической природе космоса представлял неразрешимую задачу. По общей теории относительности, с одной стороны, свойства космоса определяют распределение в нем небесных тел, а с другой стороны, распределение небесных тел определяет геометрические свойства космоса. Таким образом, в виде общей теории относительности человечество впервые получило инструмент исследования структуры всего космоса в целом. Именно этим объясняется оживление космологии и космофизики, последовавшее за рождением общей теории относительности.

Литература

1.  Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций. М., Центр, 2007 - 208 с.

2.      Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2007. - 383 с.

.        Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Учебн. пособие для вузов.-М.:Аспект Пресс, 2007. -256 с.

.        Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. пособие.-М. «Маркетинг», 2007. - 160 с.

.        Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник.-М. Высшая школа. 2007. - 334 с.

.        Конспект лекций по КСЕ. - Сост. Ревская Н.В.- СПб: Альфа. 2008.-160 с.

.        Концепции современного естествознания. - Под ред. В.Н. Лавриненко.: М.ЮНИТИ, 2008.- 303 с.

.        Концепции современного естествознания.: учебник для вузов под ред.С.И. Самыгина.- Ростов-н-Д.: Феникс, 2008, 2003.-576 с.

.        Липовко П.О. Практикум по естествознанию - Ростов-на-Дону/ Феникс. 2008.- 320 с.

.        Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие. М., ИНФРА, 2007. - 192 с.

.        Масленникова И.С., Дыбов А.М., Шапошникова Т.А. Концепции современного естествознания. - СПб, СПбГИЭУ. 2008.-283 с.

.        Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.

.        Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.-М.:ЮНИТИ,2009.-287 с.

.        Торосян В.Г. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.- 208 с.