Special eller partiell relativitetsteori är en teori om strukturen av rum-tid. Det introducerades först 1905 av Albert Einstein i hans verk "On the Electrodynamics of Moving Bodies." Teorin beskriver rörelse, mekanikens lagar och de rum-tidsförhållanden som definierar dem, vid rörelsehastigheter nära ljusets hastighet. Klassisk newtonsk mekanik inom ramen för speciell relativitetsteori är en approximation för låga hastigheter.
Allmän relativitetsteori
Allmän relativitetsteori är en gravitationsteori utvecklad av Einstein 1905-1917. Det är en vidareutveckling av den speciella relativitetsteorin. Den allmänna relativitetsteorin postulerar att gravitationseffekter inte orsakas av kraftsamverkan mellan kroppar och fält, utan av deformationen av själva rum-tiden där de befinner sig. Denna deformation är delvis relaterad till närvaron av massenergi.
Länkar
- Allmän relativitetsteori - rum-tidskontinuum (ryska) - Helt enkelt om komplexet.
- Special relativitetsteori (ryska) – Helt enkelt om komplexet.
Wikimedia Foundation. 2010.
Se vad "Relativistisk fysik" är i andra ordböcker:
Fysik och verklighet- "FYSIK OCH VERKLIGHET" är en samling artiklar av A. Einstein, skrivna under olika perioder av hans kreativa liv. Rus. upplaga M., 1965. Boken återspeglar den store fysikerns huvudsakliga epistemologiska och metodologiska synpunkter. Bland dem… … Encyclopedia of Epistemology and Philosophy of Science
- (RTG) gravitationsteori, baserad på representationen av gravitationsfältet som ett symmetriskt tensorfysikaliskt valensfält 2 i Minkowski-rymden. Utvecklad av akademiker vid Ryska vetenskapsakademin A. A. Logunov med en grupp... ... Wikipedia
- (grekiska τὰ φυσικά - naturvetenskap, från φύσις - natur) - ett komplex av vetenskapligt. discipliner som studerar de allmänna egenskaperna hos materiens struktur, interaktion och rörelse. I enlighet med dessa uppgifter, modern F. kan mycket grovt delas upp i tre stora... ... Filosofisk uppslagsverk
Hypernukleär fysik är en gren av fysiken i skärningspunkten mellan kärnfysik och elementarpartikelfysik, där ämnet för forskning är kärnliknande system innehållande, förutom protoner och neutroner, andra elementarpartiklar, hyperoner. Också... ... Wikipedia
En gren av fysiken som studerar dynamiken hos partiklar i acceleratorer, såväl som de många tekniska problem som är förknippade med konstruktion och drift av partikelacceleratorer. Acceleratorfysik inkluderar frågor relaterade till produktion och ackumulering av partiklar... Wikipedia
FYSIK. 1. Fysikens ämne och struktur Fysik är en vetenskap som studerar det enklaste och samtidigt det viktigaste. allmänna egenskaper och rörelselagar för föremålen i den materiella världen omkring oss. Som ett resultat av denna gemensamhet finns det inga naturfenomen som inte har fysiska egenskaper. egenskaper... Fysisk uppslagsverk
Relativistisk mekanik är en gren av fysiken som betraktar mekanikens lagar (rörelselagarna för kroppar och partiklar) vid hastigheter som är jämförbara med ljusets hastighet. Vid hastigheter som är betydligt lägre än ljusets hastighet förvandlas den till klassisk (newtonsk) ... ... Wikipedia
En gren av fysiken som ägnas åt studier av kärnprocesser där partiklarna som utgör kärnämne rör sig med hastigheter nära ljusets hastighet c. R. I. f. bildades 1970 72 i samband med experiment på strålar av relativistiska kärnor,... ... Fysisk uppslagsverk
I. Fysikens ämne och struktur Fysik är en vetenskap som studerar de enklaste och samtidigt de mest allmänna lagarna för naturfenomen, materiens egenskaper och struktur och dess rörelselagar. Därför ligger begreppen F. och andra lagar till grund för allt... ... Stora sovjetiska encyklopedien
Exempel på olika fysikaliska fenomen Fysik (från antik grekiska φύσις ... Wikipedia
Böcker
- Fysik för högströms relativistiska elektronstrålar, A. A. Rukhadze, L. S. Bogdankevich, S. E. Rosinsky, V. G. Rukhlin. Grunderna i fysiken för pulsade högströmselektronstrålar och deras interaktion med plasma presenteras systematiskt. Olika jämviktskonfigurationer, formation och...
I relativitetsteorin beror valet av system på förekomsten av kroppar och deras rörelse, vilket måste beskrivas inom den valda referensramen. Generellt sett finns det ingen tröghetsreferensram inom modern fysik och astronomi. Vi kan bara prata om hur nära detta system är tröghetsgraden.
Hur olika är det enhetliga tidsförloppet i olika referenssystem förknippade med de som rör sig med de hastigheter som är vanliga för moderna människor? Är det möjligt att märka detta? För femtio år sedan var svaren på dessa frågor negativa. De klockor som mänskligheten använde både i vardagen och i fysiklaboratorier för att mäta tid var primitiva mekaniska apparater med ett tidsfel som ofta översteg en sekund per dag. Deras noggrannhet var för låg för att upptäcka relativistiska effekter över tid.
Det finns två huvudsakliga relativistiska effekter som påverkar tidens hastighet. Det första är hastighet. Om klockorna tillhör olika referenssystem, varav ett rör sig i förhållande till det andra, så kommer klockorna i det första systemet att gå långsammare. Om vi fastställer samtidigheten av två klockor vid ett visst ögonblick, kommer klockorna i det att släpa efter eftersom tidstakten i ett rörligt system kommer att vara långsammare. Ju längre tidsintervall det är mellan klockobservationer, desto mer signifikant släpar klockan efter i den rörliga referensramen. Låt oss säga att för ett modernt flygplan som flyger med ljudets hastighet (300 m/sek) kommer skillnaden i klockfrekvens över en timmes flygning att vara nanosekunder.
Den andra effekten som påverkar färdhastigheten är skillnaden i gravitationspotentialer. Två klockor i vila i förhållande till varandra, placerade på olika punkter i rymden, kommer att röra sig i olika hastigheter. På den plats där tyngdkraften är svagare kommer klockan att gå snabbare.
Låt en klocka placeras på havsnivå och den andra placeras på ett 10 km högt berg. Då går den andra klockan snabbare och taktskillnaden per timme blir 3,6 nanosekunder.
Att registrera klockornas framsteg med sådan noggrannhet blev möjligt när atom- och väteklockor skapades med en noggrannhet på inte sämre än ungefär en timme.
Moderna klockor är mycket mer exakta. Med deras hjälp kunde fysiker mäta ojämnheten i tidens gång på två olika punkter i rymden.
I ett fall var det ett experiment utfört av italienska forskare. De synkroniserade de två klockorna. De lämnade en klocka på fysikavdelningen, och den andra fördes till bergen med lastbil och installerades på en höjd av 3250 meter över havet. Efter att ha väntat 66 dagar sänkte de den andra klockan och jämförde avläsningarna. Experimentet visade fullständig överensstämmelse med Einsteins teori! Klockorna som fanns på berget gick framåt, klockorna som stod kvar på havsnivån föll efter.
De fyra identiska klockorna lastades sedan på vanliga flygplan och gav sig iväg på sin resa. Två timmar österut, två åt väster (eftersom den totala hastigheten var summan av flygplanets hastighet och jordens rotationshastighet, var klockornas hastigheter i förhållande till tröghetssystemet olika). Efter att ha flugit runt jorden lastades klockorna av och deras värden jämfördes. Även om mätfelen var ganska stora (händelsen ägde rum 1971) kunde det inte råda några tvivel - experimentet bekräftade förutsägelserna från relativitetsteorin, bekräftade riktigheten av A. Einstein och etablerade den experimentella grunden för effekten av klockan ojämnheter.
1975 genomfördes ett speciellt högprecisionsexperiment för att mäta ojämnheten hos klockor på ett flygplan som flög över Chesapeake Bay (nära Potomacflodens mynning, USA). Vid den tiden hade klockans noggrannhet nått . Planet flög i 15 timmar, under vilka det fanns timmar ombord ett huvud klockor på jorden på grund av effekterna av ojämnheter i den föränderliga gravitationspotentialen (planet klättrade och sjönk), samt ojämnheter under tidens gång på grund av referensramens rörelse i förhållande till den stationära klockan. De kvarvarande klockorna på jorden räknade tiden medan de befann sig i ett gravitationsfält med ett stort värde på potentialen, klockorna ombord på flygplanet räknade tiden i ett gravitationsfält med ett lägre värde på gravitationspotentialen. Denna klockskillnad nådde 53 nanosekunder under 15 timmars flygning. Samtidigt rörde sig klockorna ombord i förhållande till klockorna på jordens yta i vila och släpade efter dem. Denna effekt var betydligt mindre. Över 15 timmars flygning var fördröjningen bara 6 nanosekunder. Båda effekterna resulterade i ett klockavancemang på 47 nanosekunder. Noggrannheten i ojämnhetsmätningen var bättre än en procent! Således, som ett resultat av direkta mätningar, påvisades heterogeniteten i tidens gång vid olika punkter i rymden och olika koordinatsystem.
www.pereplet.ru/pops/sazhin/node3.html
Relativistisk mekanik är den mekanik som den newtonska mekaniken förvandlas till om en kropp rör sig med en hastighet nära ljusets hastighet. I så höga hastigheter börjar helt enkelt magiska och helt oväntade saker hända saker, som till exempel relativistisk längdkontraktion eller tidsutvidgning.
Men exakt hur blir klassisk mekanik relativistisk? Om allt i ordning i vår nya artikel.
Låt oss börja från början...
Galileos relativitetsprincip
Galileos relativitetsprincip (1564-1642) säger:
I tröghetsreferenssystem fortskrider alla processer på samma sätt om systemet är stationärt eller rör sig enhetligt och rätlinjigt.
I det här fallet talar vi uteslutande om mekaniska processer. Vad betyder det? Det betyder att om vi till exempel seglar på en jämnt och rätlinjigt rörlig färja genom dimma, kommer vi inte att kunna avgöra om färjan rör sig eller ligger i vila. Med andra ord, om du genomför ett experiment i två identiska slutna laboratorier, varav det ena rör sig enhetligt och rätlinjigt i förhållande till det andra, blir resultatet av experimentet detsamma.
Galileiska förvandlingar
Galileiska transformationer i klassisk mekanik är transformationer av koordinater och hastighet när man flyttar från ett tröghetsreferenssystem till ett annat. Vi kommer inte att presentera alla beräkningar och slutsatser här, utan bara skriva ner formeln för omvandling av hastighet. Enligt denna formel är hastigheten för en kropp relativt en stationär referensram lika med vektorsumman av kroppens hastighet i en rörlig referensram och hastigheten för den rörliga referensramen i förhållande till en stationär ram.
Den galileiska relativitetsprincipen som vi citerade ovan är ett specialfall av Einsteins relativitetsprincip.
Einsteins relativitetsprincip och postulat av SRT
I början av 1900-talet, efter mer än två århundraden av dominans av klassisk mekanik, uppstod frågan om att utvidga relativitetsprincipen till icke-mekaniska fenomen. Anledningen till att denna fråga uppstod var fysikens naturliga utveckling, i synnerhet optik och elektrodynamik. Resultaten av ett flertal experiment bekräftade antingen giltigheten av formuleringen av Galileos relativitetsprincip för alla fysiska fenomen, eller i ett antal fall indikerade felet i Galileos transformationer.
Att till exempel kontrollera formeln för att lägga till hastigheter visade att den är felaktig vid hastigheter nära ljusets hastighet. Dessutom visade Fizeaus experiment 1881 att ljusets hastighet inte beror på källans och observatörens rörelsehastighet, d.v.s. förblir konstant i alla referensramar. Detta experimentella resultat passade inte in i den klassiska mekanikens ramar.
Albert Einstein hittade en lösning på detta och andra problem. För att teorin skulle konvergera med praktiken var Einstein tvungen att överge flera till synes uppenbara sanningar inom klassisk mekanik. Nämligen att anta det avstånd och tidsintervall i olika referenssystem är inte konstanta . Nedan är huvudpostulaten från Einsteins speciella relativitetsteori (STR):
Första postulatet:I alla tröghetsreferensramar fortskrider alla fysiska fenomen på samma sätt. När man förflyttar sig från ett system till ett annat är alla naturlagar och de fenomen som beskriver dem oföränderliga, det vill säga inga experiment kan ge företräde åt ett av systemen, eftersom de är invarianta.
Andra postulatet : Med ljusets hastighet i vakuum är densamma i alla riktningar och beror inte på källan och betraktaren, d.v.s. ändras inte när man flyttar från ett tröghetssystem till ett annat.
Ljusets hastighet är den maximala hastigheten. Ingen signal eller handling kan färdas snabbare än ljusets hastighet.
Transformationer av koordinater och tid under övergången från ett stationärt referenssystem till ett system som rör sig med ljusets hastighet kallas Lorentz-transformationer. Låt till exempel ett system vara i vila och det andra röra sig längs abskissaxeln.
Som vi ser förändras tiden också tillsammans med koordinaterna, det vill säga den fungerar som en kvartskoordinat. Lorentz-transformationer visar att i STR är rum och tid oskiljaktiga, till skillnad från klassisk mekanik.
Kommer du ihåg paradoxen med två tvillingar, varav den ena väntade på marken och den andra flög i ett rymdskepp i mycket hög hastighet? Efter att astronautbrodern återvänt till jorden fann han sin bror som en gammal man, även om han själv var nästan lika ung som när resan började. Ett typiskt exempel på hur tiden förändras beroende på referenssystem.
Vid hastigheter mycket lägre än ljusets hastighet förvandlas Lorentz-transformationerna till galileiska transformationer. Även med moderna jets och raketers hastighet är avvikelserna från den klassiska mekanikens lagar så små att de är praktiskt taget omöjliga att mäta.
Mekanik som tar hänsyn till Lorentz-transformationer kallas relativistisk.
Inom ramen för den relativistiska mekaniken förändras formuleringarna av vissa fysiska storheter. Till exempel kan en kropps momentum i relativistisk mekanik i enlighet med Lorentz-transformationer skrivas på följande sätt:
Följaktligen kommer Newtons andra lag i relativistisk mekanik att ha formen:
Och den totala relativistiska energin hos en kropp i relativistisk mekanik är lika med
Om kroppen är i vila och hastigheten är noll, omvandlas denna formel till den berömda
Denna formel, som alla verkar känna till, visar att massa är ett mått på en kropps totala energi, och illustrerar också den grundläggande möjligheten att omvandla materiens energi till strålningsenergi.
Kära vänner, på denna högtidliga ton avslutar vi vår genomgång av relativistisk mekanik idag. Vi tittade på Galileos och Einsteins relativitetsprincip, såväl som några grundläggande formler för relativistisk mekanik. Vi påminner de mest ihärdiga personer som har läst artikeln till slutet att det inte finns några "olösliga" uppgifter eller problem i världen som inte kan lösas. Det är ingen idé att få panik och oroa sig för oavslutade kurser. Kom bara ihåg universums skala, ta ett djupt andetag och anförtro uppgiften till riktiga proffs -
Encyklopedisk YouTube
-
1 / 5
Inom klassisk mekanik är rumsliga koordinater och tid oberoende (i avsaknad av tidsberoende holonomiska samband), tiden är absolut, det vill säga den flyter likadant i alla referenssystem, och galileiska transformationer gäller. I den relativistiska mekaniken inträffar händelser i fyrdimensionellt rum, som kombinerar fysiskt tredimensionellt rum och tid (Minkowski-rum) och Lorentz-transformationer fungerar. Till skillnad från klassisk mekanik beror således händelsernas samtidighet på valet av referensram.
Den relativistiska mekanikens grundläggande lagar - den relativistiska generaliseringen av Newtons andra lag och den relativistiska lagen om bevarande av energimomentum - är en konsekvens av en sådan "blandning" av rumsliga och tidsmässiga koordinater under Lorentz-transformationer.
Newtons andra lag i relativistisk mekanik
Styrka definieras som F → = d p → d t (\displaystyle (\vec (F))=(\frac (d(\vec (p)))(dt))), uttrycket för det relativistiska momentumet är också känt:
p → = m v → 1 − v 2 / c 2 . (\displaystyle (\vec (p))=(\frac (m(\vec (v)))(\sqrt (1-v^(2)/c^(2)))).)Om vi tar tidsderivatan av det sista uttrycket för att bestämma kraften får vi:
d p → d t = m γ a → + m γ 3 β → (β → a →) , (\displaystyle (\frac (d(\vec (p)))(dt))=m\gamma (\vec (a ))+m\gamma ^(3)(\vec (\beta ))((\vec (\beta ))(\vec (a))),)där beteckningarna introduceras: β → ≡ v → c (\displaystyle (\vec (\beta ))\equiv (\frac (\vec (v))(c))) Och γ ≡ 1 1 − v 2 / c 2 (\displaystyle \gamma \equiv (\frac (1)(\sqrt (1-v^(2)/c^(2))))).
Som ett resultat tar uttrycket för kraften formen:
F → = m γ a → + m γ 3 β → (β → a →) . (\displaystyle (\vec (F))=m\gamma (\vec (a))+m\gamma ^(3)(\vec (\beta ))((\vec (\beta ))(\vec ( a))))Detta visar att i den relativistiska mekaniken, i motsats till det icke-relativistiska fallet, är acceleration inte nödvändigtvis riktad längs kraften i det allmänna fallet, acceleration har också en komponent riktad längs hastigheten.
Lagrangefunktion för en fri partikel i relativistisk mekanik
Låt oss skriva handlingsintegralen utifrån principen om minsta handling: S = − ∫ a b α d s (\displaystyle S=-\int \limits _(a)^(b)\alpha ds), där är ett positivt tal. Som bekant från den speciella relativitetsteorin (STR) d s = c 1 − v 2 / c 2 d t (\displaystyle ds=c(\sqrt (1-v^(2)/c^(2)))dt), ersätta integralen av rörelse, finner vi: S = − ∫ t 1 t 2 α c 1 − v 2 / c 2 d t (\displaystyle S=-\int \limits _(t_(1))^(t_(2))\alpha c(\sqrt (1) -v^(2)/c^(2)))dt). Men å andra sidan kan integralen av rörelse uttryckas genom Lagrange-funktionen: S = ∫ t 1 t 2 L d t (\displaystyle S=\int \limits _(t_(1))^(t_(2))(\mathcal (L))dt). Om man jämför de två sista uttrycken är det lätt att förstå att integranderna måste vara lika, det vill säga:
L = − α c 1 − v 2 / c 2 (\displaystyle (\mathcal (L))=-\alpha c(\sqrt (1-v^(2)/c^(2)))).
L ≃ α c + α v 2 2 c (\displaystyle (\mathcal (L))\simeq \alpha c+(\frac (\alpha v^(2))(2c))), den första termen av expansionen beror inte på hastighet och introducerar därför inga förändringar i rörelseekvationerna. Sedan, jämfört med det klassiska uttrycket för Lagrange-funktionen: m v 2 2 (\displaystyle (\frac (mv^(2))(2))), är det lätt att bestämma konstanten α (\displaystyle \alpha ).
Fysik och reduktionism. Fysik och synlighet. Relativitetsteorin.
Fysik och reduktionism
I det här ämnet kommer vi att ge en ögonblicksbild av världens moderna struktur. En av de äldsta och mest grundläggande vetenskaperna - fysik - kommer att hjälpa oss. Fysik är den viktigaste av naturvetenskaperna, eftersom ordet "fysik" bokstavligen översatt från grekiska betyder "natur". Därför är fysik naturvetenskapen. Fysik har alltid ansetts vara standarden för vetenskaplig kunskap. På vilket sätt? Inte för att det ger den viktigaste och mest sanna kunskapen, utan att det avslöjar sanningar som är giltiga för hela universum om förhållandet mellan flera grundläggande variabler. Dess mångsidighet är omvänt proportionell mot antalet variabler som den introducerar i sina formler.
Precis som atomer och kvarkar är universums "byggstenar", så är fysikens lagar kunskapens "byggstenar". Fysikens lagar är kunskapens "byggstenar" inte bara för att de använder några grundläggande och universella variabler och konstanter som verkar i hela universum, utan också för att principen om reduktionism verkar i vetenskapen, som säger att fler och mer komplexa lagar för utvecklingen av mer komplexa verklighetsnivåer måste kunna reduceras till enklare nivåers lagar.
Till exempel avslöjas lagarna för reproduktion av liv i genetik på molekylär nivå som lagarna för interaktion mellan DNA- och RNA-molekyler. Samordning av lagarna i olika områden av den materiella världen utförs av speciella gränsvetenskaper, såsom molekylärbiologi, biofysik, biokemi, geofysik, geokemi, etc. Mycket ofta bildas nya vetenskaper just i knutpunkterna mellan äldre discipliner.
Det pågår hårda debatter om reduktionismens tillämpbarhet i vetenskapens metodik, men själva förklaringen förutsätter alltid en reducering av det förklarade till en lägre begreppsmässig nivå. I denna mening bekräftar vetenskapen helt enkelt sin rationalitet.
Fysiker hävdar att inte en enda kropp i universum kan inte lyda lagen om universell gravitation, och om dess beteende strider mot denna lag, kommer andra lagar att ingripa. Planet faller inte till marken tack vare dess design och motor. Ett rymdskepp övervinner gravitationen på grund av flygbränsle etc. Varken ett flygplan eller ett rymdskepp förnekar tyngdlagen, utan använder faktorer som neutraliserar dess effekt.
Du kan förneka filosofiens, religionens lagar, mystiska mirakel, och detta anses normalt. Men de ser med misstänksamhet på en person som förnekar vetenskapens lagar, säg lagen om universell gravitation. I denna mening kan vi säga att fysikens lagar ligger till grund för den vetenskapliga förståelsen av verkligheten.
Fysik och visualisering
Två omständigheter gör det svårt att förstå modern fysik. För det första, användningen av en mycket komplex matematisk apparat, som först måste studeras. A. Einstein gjorde ett framgångsrikt försök att övervinna denna svårighet genom att skriva en lärobok där det inte finns en enda formel. Men det finns en annan omständighet som visar sig vara oöverstiglig - omöjligheten att skapa en visuell modell av moderna fysiska koncept: krökt utrymme; en partikel som också är en våg, etc. Vägen ut ur situationen är enkel - det finns ingen anledning att ens försöka göra det.
Fysikens framsteg (och vetenskapen i allmänhet) är förknippad med ett gradvis övergivande av direkt synlighet. Som om en sådan slutsats skulle motsäga det faktum att modern vetenskap och fysik i första hand bygger på experiment, det vill säga empiriska erfarenheter som sker under människokontrollerade förhållanden och kan reproduceras när som helst hur många gånger som helst. Men hela poängen är att vissa aspekter av verkligheten är osynliga för ytlig observation och klarhet kan vara missvisande. Aristoteles mekanik baserades på principen: "En rörlig kropp stannar om kraften som trycker den upphör att verka." Det visade sig stämma överens med verkligheten helt enkelt för att det inte märktes att anledningen till att kroppen stannar är friktion. För att dra den korrekta slutsatsen krävdes ett experiment, vilket inte var ett riktigt experiment, omöjligt i detta fall, utan ett idealexperiment.
Ett sådant experiment utfördes av den store italienske vetenskapsmannen Galileo Galilei, författare till "Dialogen om världens två huvudsystem, ptolemaisk och kopernikansk" (1632). För att detta tankeexperiment skulle bli möjligt var det nödvändigt att föreställa sig en idealiskt slät kropp och en idealiskt slät yta som eliminerar friktion. Galileos experiment, som ledde till slutsatsen att om ingenting påverkar en kropps rörelse så kan den fortsätta i det oändliga, blev grunden för Newtons klassiska mekanik (kom ihåg de tre rörelselagarna från skolans fysikläroplan). År 1686 presenterade Isaac Newton sina "Mathematical Principles of Natural Philosophy" för Royal Society of London, där han formulerade de grundläggande rörelselagarna, lagen om universell gravitation, begreppen massa, tröghet och acceleration. Således, tack vare tankeexperiment, blev en ny mekanistisk bild av världen möjlig.
Kanske var Galileos berömda tankeexperiment inspirerade av skapandet av ett heliocentriskt system av världen av den enastående polske vetenskapsmannen Nicolaus Copernicus (1473-1543), vilket blev ytterligare ett exempel på förkastandet av direkt synlighet. Copernicus huvudverk, On the Conversion of the Celestial Worlds, sammanfattade hans observationer och reflektioner kring dessa frågor under mer än 30 år. Den danske astronomen Tycho Brahe (1546-1601) lade för tydlighetens skull fram en hypotes 1588 enligt vilken alla planeterna roterar runt solen med undantag för jorden, den senare är orörlig och solen med planeterna och månen kretsar runt den. Och endast Johannes Kepler (1571-1630), efter att ha fastställt tre lagar för planetrörelser som bär hans namn (de två första 1609, den tredje 1618), bekräftade slutligen giltigheten av Copernicus läror.
Så den moderna vetenskapens framsteg bestämdes av idealiserade idéer som bröt med den omedelbara verkligheten. Men 1900-talets fysik tvingar oss att överge inte bara direkt synlighet, utan också synlighet som sådan. Detta förhindrar representationen av den fysiska verkligheten, men gör det möjligt för oss att bättre förstå sanningen i Einsteins ord att "fysiska begrepp är fria skapelser av det mänskliga sinnet och bestäms inte unikt av den yttre världen" (Einstein A., Infeld L. Evolution of Fysik. - S. 30). ”I vår strävan att förstå verkligheten är vi delvis som en person som vill förstå mekanismen för en stängd klocka. Han ser urtavlan och de rörliga händerna, hör till och med tickandet, men har ingen möjlighet att öppna deras fodral. Om han är kvick, kan han rita sig en viss bild av mekanismen som skulle motsvara allt han observerar, men han kan aldrig vara helt säker på att hans bild är den enda som kan förklara hans observationer.
Att vägra klarhet i vetenskapliga idéer är ett oundvikligt pris att betala för övergången till studiet av djupare nivåer av verkligheten som inte motsvarar de evolutionärt utvecklade mekanismerna för mänsklig perception.
Relativitetsteorin
Även inom klassisk mekanik var Galileos relativitetsprincip känd: "Om mekanikens lagar är giltiga i ett koordinatsystem, så är de giltiga i vilket annat system som helst som rör sig rätlinjigt och likformigt i förhållande till det första" (Einstein A., Infeld L. Fysikens utveckling - S. 130). Sådana system kallas tröghet, eftersom rörelsen i dem är föremål för tröghetslagen, som säger: "Varje kropp bibehåller ett tillstånd av vila eller enhetlig rätlinjig rörelse, såvida den inte tvingas ändra den under påverkan av drivkrafter" ( Ibid. - s. 126).
I början av 1900-talet stod det klart att relativitetsprincipen är giltig även inom optik och elektrodynamik, det vill säga inom andra grenar av fysiken. Relativitetsprincipen utökade sin innebörd och lät nu så här: varje process fortskrider lika i ett isolerat materialsystem och i samma system i ett tillstånd av enhetlig rätlinjig rörelse. Eller: fysikens lagar har samma form i alla tröghetsreferensramar.
Efter att fysiker övergav idén om existensen av eter som ett universellt medium, kollapsade också idén om en referensram. Alla referenssystem erkändes som likvärdiga, och relativitetsprincipen blev universell. Relativitet i relativitetsteorin innebär att alla referenssystem är lika och det finns ingen som har fördelar framför andra (i förhållande till vilken etern skulle vara orörlig).
Övergången från ett tröghetssystem till ett annat utfördes i enlighet med Lorentz-transformationer. Experimentella data om ljusets hastighets konstans ledde emellertid till en paradox, vars upplösning krävde införandet av fundamentalt nya koncept.
Följande exempel kommer att hjälpa till att förklara detta. Låt oss anta att vi seglar på ett fartyg som rör sig rätlinjigt och jämnt i förhållande till stranden. Alla rörelselagarna förblir desamma här som på stranden. Den totala rörelsehastigheten kommer att bestämmas av summan av rörelsen på fartyget och själva fartygets rörelse. Vid hastigheter långt från ljusets hastighet leder detta inte till en avvikelse från den klassiska mekanikens lagar. Men om vårt fartyg når en hastighet nära ljusets hastighet, så kan summan av fartygets och på fartygets rörelsehastighet överstiga ljusets hastighet, vilket faktiskt inte kan vara det, eftersom enligt Michelson-Morley-experimentet , "ljushastigheten är alltid densamma i alla systemkoordinater, oavsett om den emitterande källan rör sig eller inte, och oavsett hur den rör sig" (Einstein A., Infeld L. Cited. - P. 140).
För att försöka övervinna de svårigheter som uppstod, föreslog H. Lorenz 1904 att man skulle överväga att rörliga kroppar drar ihop sig i riktningen för deras rörelse (och kontraktionskoefficienten beror på kroppens hastighet) och att skenbara tidsintervall mäts i olika referenssystem . Men året därpå tolkade A. Einstein skenbar tid i Lorentz-transformationer som sann.
Liksom Galileo använde Einstein ett tankeexperiment som heter Einsteintåget. "Låt oss föreställa oss en observatör som åker på ett tåg och mäter ljushastigheten som sänds ut av gatlyktorna på sidan av vägen, det vill säga rör sig med hastighet C i en referensram i förhållande till vilken tåget rör sig med hastighet V. Enligt den klassiska satsen om addition av hastigheter måste en observatör som färdas på ett tåg tillskriva hastigheten C - V till ljuset som fortplantar sig i tågets rörelseriktning." (Prigozhy I., Stengers I. Ordning från kaos. - S. 87). Men ljusets hastighet fungerar som en universell naturkonstant.
Med tanke på denna motsägelse föreslog Einstein att överge idén om absolutiteten och oföränderligheten av egenskaperna hos rum och tid. Denna slutsats strider mot sunt förnuft och vad Kant kallade intuitionens villkor, eftersom vi inte kan föreställa oss något annat rum än tredimensionellt, och ingen annan tid än endimensionell. Men vetenskapen behöver inte nödvändigtvis följa sunt förnuft och oföränderliga former av sensibilitet. Huvudkriteriet för det är överensstämmelsen mellan teori och experiment. Einsteins teori uppfyllde detta kriterium och accepterades. En gång verkade tanken att jorden var rund och rörde sig runt solen också strida mot sunt förnuft och observationer, men de visade sig vara sanna.
Rym och tid har traditionellt sett ansetts inom filosofi och vetenskap som de huvudsakliga formerna för materiens existens, ansvariga för lokaliseringen av individuella element i materien i förhållande till varandra och för den naturliga koordineringen av successiva fenomen. Rummets egenskaper beaktades enhetlighet- identiska egenskaper i alla riktningar, och isotropi- Fastigheters oberoende från riktning. Tid ansågs också vara homogen, det vill säga varje process är i princip repeterbar efter en viss tidsperiod. Förknippad med dessa egenskaper är världens symmetri, som är av stor betydelse för dess kunskap. Rymden sågs som tredimensionell och tiden som endimensionell och rörde sig i en riktning - från det förflutna till framtiden. Tiden är oåterkallelig, men i alla fysiska lagar förändras ingenting från att ändra tidens tecken till det motsatta, och därför är framtiden fysiskt omöjlig att skilja från det förflutna.
I vetenskapens historia är två begrepp om rymden kända: oföränderligt rum som en behållare av materia (Newtons syn) och rymden, vars egenskaper är förknippade med egenskaperna hos de kroppar som finns i den (Leibniz syn). Enligt relativitetsteorin bestämmer vilken kropp som helst rymdens geometri.
Av den speciella relativitetsteorin följer att längden på en kropp (i allmänhet avståndet mellan två materiella punkter) och varaktigheten (liksom rytmen) av de processer som sker i den inte är absoluta, utan relativa storheter. När man närmar sig ljusets hastighet saktar alla processer i systemet ner, kroppens longitudinella (med rörelsen) dimensioner reduceras och händelser som är samtidiga för en observatör visar sig vara olika i tid för en annan, rörliga i förhållande till honom. "Spöet kommer att krympa till noll om dess hastighet når ljusets hastighet... klockan skulle stanna helt om den kunde röra sig med ljusets hastighet" (Einstein A., Infeld L. Cited. - S. 158).
Det har experimentellt bekräftats att en partikel (till exempel en nukleon) kan manifestera sig i förhållande till en partikel som rör sig långsamt i förhållande till den som en sfärisk partikel, och i förhållande till en partikel som infaller på den med mycket hög hastighet - som en skivan tillplattad i rörelseriktningen. Följaktligen är livslängden för en långsamt rörlig laddad pi-meson ungefär 10~8 sekunder, och livslängden för en snabbt rörlig (vid nästan ljushastighet) är många gånger längre. Så, rum och tid är generella former av koordinering av materiella fenomen, och existerar inte oberoende oberoende av frågan om tillvarans början.
Kombinationen av Galileos relativitetsprincip med simultanitetsrelationen, som Einstein hittade, kallades för Einsteins relativitetsprincip. Relativitetsbegreppet har blivit ett av de viktigaste inom modern naturvetenskap.
I den speciella relativitetsteorin betraktas rummets och tidens egenskaper utan att ta hänsyn till gravitationsfält, som inte är tröga. Allmän relativitetsteori utvidgar naturlagarna till allt, inklusive icke-tröghetssystem. Den allmänna relativitetsteorin kopplade samman gravitation med elektromagnetism och mekanik. Hon ersatte Newtons mekanistiska lag om universell gravitation med gravitationens fältlag. "Skematiskt kan vi säga: övergången från Newtons gravitationslag i generell relativitet är till viss del analog med övergången från teorin om elektriska vätskor och Coulombs lag till Maxwells teori" (Einstein A., Infeld L. Cited. - P 196). Och här flyttade fysiken från materieteori till fältteori.
Under tre århundraden var fysiken mekanistisk och handlade bara om materia. Men "Maxwells ekvationer beskriver strukturen av det elektromagnetiska fältet. Arenan för dessa lagar är hela rymden, och inte bara de punkter där materia eller laddningar befinner sig, vilket är fallet för mekaniska lagar” (Ibid. - S. 120). Begreppet fältbesegrad mekanism.
Maxwells ekvationer ”förknippar inte, som Newtons lagar, två vitt skilda händelser, de relaterar inte händelser här till förhållandena där. Fältet här och nu beror på fältet i det närmaste grannskapet i ögonblicket som just har passerat” (Ibid. - S. 120). Detta är ett väsentligt nytt ögonblick i fältbilden av världen. Elektromagnetiska vågor färdas med ljusets hastighet i rymden och gravitationsfältet verkar på liknande sätt.
Massor som skapar ett gravitationsfält, enligt den allmänna relativitetsteorin, böjer rymden och förändrar tidens flöde. Ju starkare fältet är, desto långsammare flyter tiden jämfört med tiden utanför fältet. Tyngdkraften beror inte bara på fördelningen av massor i rymden, utan också på deras rörelse, på trycket och spänningen som finns i kroppar, på elektromagnetiska och alla andra fysiska fält. Förändringar i gravitationsfältet fördelas i ett vakuum med ljusets hastighet. I Einsteins teori påverkar materia egenskaperna hos rum och tid.
När man flyttar till kosmiska skalor, upphör rymdens geometri att vara euklidisk och ändras från en region till en annan beroende på tätheten av massor i dessa regioner och deras rörelse. På skalan för en metagalaxi förändras rymdens geometri över tiden på grund av metagalaxens expansion. Vid hastigheter som närmar sig ljusets hastighet, med ett starkt fält, kommer rymden till ett singulärt tillstånd, det vill säga det komprimeras till en punkt. Genom denna komprimering kommer megavärlden i interaktion med mikrovärlden och visar sig på många sätt likna den. Klassisk mekanik förblir giltig som ett begränsande fall vid hastigheter mycket mindre än ljusets hastighet och massor mycket mindre än massorna i megavärlden.
Relativitetsteorin visade enheten mellan rum och tid, uttryckt i en gemensam förändring av deras egenskaper beroende på koncentrationen av massor och deras rörelse. Tid och rum upphörde att betraktas oberoende av varandra och idén om ett rum-tid fyrdimensionellt kontinuum uppstod.
Relativitetsteorin relaterade också massa och energi genom förhållandet E=MC 2, där C är ljusets hastighet. I relativitetsteorin förlorade "två lagar - lagen om bevarande av massa och bevarande av energi - sin oberoende giltighet och fann sig förenade till en enda lag, som kan kallas lagen om bevarande av energi eller massa" (Heisenberg V. Fysik och filosofi Part and Whole.- M., 1989.- S. 69). Fenomenet förintelse, där en partikel och en antipartikel ömsesidigt förstör varandra, och andra fenomen inom mikrovärldsfysiken bekräftar denna slutsats.
Så relativitetsteorin är baserad på postulaten om ljushastighetens konstanta och samma naturlagar i alla fysiska system, och de huvudsakliga resultaten som den kommer till är följande: relativiteten för rymdens egenskaper - tid; relativitet av massa och energi; ekvivalens av tunga och inerta massor (en konsekvens av vad Galileo noterade att alla kroppar, oavsett deras sammansättning och massa, faller i ett gravitationsfält med samma acceleration).
Fram till 1900-talet upptäcktes lagarna för materiens funktion (Newton) och fält (Maxwell). Under 1900-talet försökte man upprepade gånger skapa en enhetlig fältteori som skulle kombinera material och fältbegrepp, vilket dock visade sig misslyckas.
1967 lades en hypotes fram om närvaron av tachyoner, partiklar som rör sig med hastigheter högre än ljusets hastighet. Om denna hypotes någonsin bekräftas, så är det möjligt att vi från relativitetsvärlden, som är mycket obekväm för en vanlig människa, där endast ljusets hastighet är konstant, kommer att återvända till en mer välbekant värld, där absolut utrymme liknar ett pålitligt hus med väggar och tak. Men för tillfället är det bara drömmar, vars verkliga genomförbarhet förmodligen bara kan diskuteras under det 3:e millenniet.
För att avsluta det här avsnittet kommer vi att citera ord från Heisenbergs bok "Part and Whole" om vad förståelse som sådan betyder. "Förstå" betyder tydligen att bemästra idéer, begrepp med hjälp av vilka vi kan överväga en stor variation av olika fenomen i deras holistiska koppling, med andra ord, "omfamna" dem. Våra tankar lugnar ner sig när vi får veta att varje specifik, till synes förvirrande situation bara är en speciell konsekvens av något mer allmänt, och därigenom mottaglig för en enklare formulering. Att reducera den brokiga variationen av fenomen till en allmän och enkel första princip, eller, som grekerna skulle säga, "många" till "en", är precis vad vi kallar "förståelse". Förmågan att numeriskt förutsäga en händelse är ofta en konsekvens av förståelse, innehav av korrekta begrepp, men den är inte direkt identisk med förståelse” (Heisenberg V. Physics and Philosophy. Part and Whole. - M., 1989. - P. 165).