Релятивистская механика. 
История, философия и методология естественных наук

Основная цель данной главы состоит в обеспечении понимания студентом концептуального устройства релятивистской механики. В результате изучения материала данной главы студент должен:

знать

• • основные концепты релятивистской механики и способы управления ими;
• • принципы инвариантности и максимальной скорости передачи взаимодействий, понятия одновременности, интервала, пространствавремени;

уметь

• • определять место любого концепта в составе релятивистской механики;
• • давать любому феномену концептуальное истолкование;
• • давать динамическое объяснение происходящих явлений;

владеть

• • концептуальным осмыслением актуальных проблемных ситуаций, связанных с истолкованием концептов релятивистской механики;
• • критическим отношением к воззрениям различных авторов;
• • философским аппаратом, необходимым для интерпретации релятивистской механики.

Ключевые слова: принцип инвариантности максимальной скорости передачи взаимодействий, понятия относительной одновременности, пространства-времени и интервала.

Клубок проблем в поисках гармонии электродинамики

В механике Ньютона используются понятия силы и энергии. Но механизм взаимодействий не получает детального объяснения. Взаимодействие тел по большей части рассматривается как их столкновение. Сам Ньютон испытывал неподдельный интерес к гравитационным явлениям. Но он также был не в состоянии объяснить механизм гравитационного взаимодействия. В его времена о гравитационном поле рассуждали в основном в сугубо гипотетическом плане. Неясно было, например, каким образом Земля и Луна притягивают друг друга. В XVIII—XIX вв. явно нарастала необходимость уяснить механизм физических взаимодействий с учетом их не только макро-, но и микроприроды. При этом основные импульсы исходили не столько от теории гравитации, сколько от теории электромагнитных явлений, столь продуктивно изучавшихся Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом.

Они оба использовали понятие поля, т. е. среды, воздействующей на физические тела, например, на заряженные предметы. И поле и тела признавались физическими объектами, но принципиально различной природы. Тела по определению обладают ярко выраженными угловыми размерами, протяженностями и длительностями. Поле же вездесуще, оно повсюду. Часто выражаются таким образом: есть вещество и поле. Такое различение нельзя назвать ясным. Если под вещественностью понимать наличие массы, то она не чужда и полю. Автор предпочитает сопоставлять с полем тела. В отличие от поля тела представляют собой физические объекты с отчетливо выраженной конденсацией. Поле имеет более «летучий» характер, о котором впереди большой разговор.

В 1865 г. Максвеллу удалось представить основные закономерности электромагнитного поля в виде четырех уравнений. Их физический смысл состоял в следующем:

• 1) электрические заряды порождают электрическое поле;
• 2) не существует магнитных зарядов;
• 3) токи и изменения электрического поля во времени вызывают магнитное поле;
• 4) изменение магнитного поля вызывает электрическое поле.

Новая теория, как правило, приводит к неожиданным результатам. Так случилось и с электродинамикой Максвелла. Один из них состоял в том, что скорость света © как электромагнитного процесса оказалась связанной с двумя постоянными:

где - электрическая; а - магнитная постоянная.

Когда физикам удается обнаружить закон взаимосвязи некоторых параметров, они по праву празднуют успех. Но в данном случае он был омрачен невозможностью его непротиворечивой интерпретации. Выходило, что скорость света в среде, характеристиками которой являлись электрическая и магнитная проницаемость, не зависит от скорости движения его источника. Но это противоречит классическому представлению о сложении скоростей.

Еще одна неприятность состояла в том, что уравнения Максвелла оказались неинвариантными для тех систем, которые в классической механике признавались эквивалентными. В классической механике принцип инвариантности предполагает признание преобразований Галилея. Рассмотрим их в простейшем виде, впрочем, стараясь не терять из вида физическую суть процессов.

Если система S движется относительно системы S' с постоянной скоростью и вдоль оси х, а начала систем совпадают в начальный момент времени в обеих системах, то преобразования Галилея имеют вид:

(3.1).

Из этих преобразований следуют соотношения между скоростями движения точки и ее ускорениями в обеих системах отсчета:

(3.2).

(3.3).

Уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея. Разумеется, физиков не мог не взволновать отказ от преобразований Галилея и, следовательно, от принципа инвариантности (принципа относительности).

Особые волнения вызывала неясность с природой электромагнитных волн, в том числе света. Физики были уверены, что волны распространяются в некоторой упругой среде. Нет среды — нет волн. Средой электромагнитных волн признавался эфир. Его предстояло обнаружить. Разумеется, физики попытались сделать это.

Обычно среду обнаруживают по тому сопротивлению, которое она оказывает на процессы, происходящие в ней. Именно этим представлением руководствовался Альберт Майкельсон, который провел в 1881 г. уникальный эксперимент, повторенный им через шесть лет совместно с Генри Морли. Ученые считали, что прохождение Земли сквозь эфир должно вызывать эфирный ветер. Именно этот факт намеревались обнаружить ученые.

Научный эксперимент

Согласно эксперименту Майкельсона — Морли монохроматический пучок света расщеплялся на два луча, которые направлялись на зеркала, а после отражения от них попадали в интерферометр. Один пучок света двигался параллельно, а другой перпендикулярно воображаемому эфирному ветру. Экспериментаторы, повернув интерферометр на 90°, ожидали изменения интерференционной картины. Предсказуемое изменение интерференционной картины не было обнаружено. Ученые зафиксировали полнейший эфирный штиль. Но в таком случае под сомнение ставилось само существование эфира.

Итак, в канун XX столетия физики столкнулись с набором проблем, которые ждали своего разрешения. Предстояло добиться желаемой гармонии в теории электромагнитных явлений.

Выводы

• 1. Несмотря на обилие экспериментальных результатов, физики испытывали трудности в согласовании концептуальных основ механики Ньютона и электродинамики Максвелла.
• 2. Уравнения Максвелла подтверждали тезис о равноправии всех инерциальных систем отсчета, но они не были инвариантными относительно преобразований Галилея.