Читать книгу Основные концепции естествознания - Степан Карпенков - Страница 14

Принцип относительности. Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Г. Галилеем для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной. Такая система либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью.

Опытным путем установлено, что с большой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета с началом координат в центре Солнца. Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальная, так как Земля вращается вокруг собственной оси и обращается вокруг Солнца. Однако поправки, обусловленные неинерциальностью такой системы, пренебрежимо малы и не учитываются при решении многих задач. Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то такие системы инерциальные.

Для инерциальных систем выполняется механический принцип – принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. Этот принцип означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Никакими механическими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.

Французский физик и математик А. Пуанкаре (1854–1912) распространил механический принцип относительности на все электромагнитные явления. А. Эйнштейн использовал этот принцип для специальной теории относительности, постулаты которой он предложил в 1905 г.

В обобщенном виде принцип относительности формулируется так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с фундаментальными законами сохранения. Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. В специальной теории относительности постулируется инвариантность законов природы и скорости света в вакууме. Законы природы и скорость света не изменяются в результате преобразований координат и времени, предложенных нидерландским физиком Х. А. Лоренцем (1853–1928) в 1904 г. (еще до появления специальной теории относительности), – преобразований, при которых уравнения Максвелла остаются инвариантными.

Специальная теория относительности включает два постулата:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не позволяют обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения его источника или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Специальная теория относительности выходит за рамки привычных классических представлений о пространстве и времени, которые носят не абсолютный, а относительный характер. Из специальной теории относительности следуют необычные пространственно-временные свойства, такие как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий.

Результатом развития специальной теории относительности является общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения. Из нее вытекает, что свойства пространства – времени зависят от поля тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства – времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс материальных объектов и их движения. В поле тяготения пространство – время обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация, которая определяет, например, движение планет Солнечной системы. Однако в сильных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, искривление пространства – времени становится существенным. Если подобный объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна периодически изменяется. Распространение таких изменений в пространстве рождает гравитационные волны. Аналогично тому, как электромагнитная волна с квантово-механической точки зрения представляет собой поток фотонов, квантование гравитационной волны соответствует гравитону – частице с нулевой массой покоя. Ни гравитационные волны, ни гравитоны экспериментально не обнаружены. Прием гравитационных волн и обнаружение гравитонов – одно из направлений фундаментальных естественно-научных исследований гравитационно-волновой астрономии.

Свойства пространства, времени и законы сохранения. Для понимания свойств объектов природы и процессов весьма важен принцип инвариантности относительно смещения в пространстве и во времени. Это принцип формулируется следующим образом: смещение в пространстве и во времени не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией. Например, пространственной симметрией обладает кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов, т. е. закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключается в том, что кристалл можно совместить с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований. Симметрия свойств кристалла обусловливается симметрией его строения. Элементы симметрии присущи минералам, раковинам моллюсков, дикорастущим растениям и т. п.

Из принципа инвариантности относительно смещений в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая соответственно однородностью пространства и времени.

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Для количественного описания движения тела используется понятие импульса. Импульс определяется произведением массы тела на его скорость. Из свойства однородности пространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Этот закон справедлив не только для объектов классической физики (хотя он и получен как следствие законов Ньютона), но и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся принципам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяготения его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать. Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории оно перемещалось, а определяется его начальным и конечным положением. Если работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной (к ней относится, например, сила трения).

Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. Поэтому закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется. В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Такой процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. Все реальные системы в природе диссипативные.

В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида, например тепловой. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой – в этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии. Энергия как универсальная мера различных форм движения материи неуничтожима.

Закон сохранения энергии – результат обобщения многочисленных опытов. В становлении этого фундаментального закона большую роль сыграли труды М. В. Ломоносова, впервые сформулировавшего закон сохранения материи и движения, и его математическое обоснование немецкими учеными – врачом Ю. Майером (1814–1878) и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821–1894).

Изотропность пространства – еще одно важное свойство его симметрии. Она означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета, т. е. относительно ее поворота в пространстве на любой угол. Вращательное движение механической системы описывается с помощью момента импульса. Например, для материальной точки момент импульса определяется произведением ее импульса на радиус вращения. Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени.

Связь между свойствами пространства, времени и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882–1935). Она сформулировала и доказала названную впоследствии ее именем фундаментальную теорему математической физики: из однородности пространства и времени следуют законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

Различные виды симметрии в природе – предмет теоретических исследований разных свойств материальных объектов микро-, макро– и мегамира с применением довольно сложного и абстрактного математического аппарата теории групп. Значительный вклад в ее развитие внес французский математик Эварист Галуа (1811–1832), жизнь которого рано оборвалась (в возрасте 21 года он был убит на дуэли). С помощью теории групп российский минералог и кристаллограф Е. С. Федоров (1853–1919) предложил классификацию правильных пространственных систем точек, составляющую основу современной кристаллографии. С учетом симметрии пространства и времени в результате решения уравнения общей теории относительности российский математик и геофизик А. А. Фридман (1888–1925) предсказал расширение Вселенной.