Модель вселенной
| Вид материала | Реферат |
СодержаниеОпыт не мог удаться Эфира не существует. Необходимо отличать геометрическую форму тела от его кинетической формы. |
- Лекция Модели образования Вселенной, 672.01kb.
- Тему: Модель, 639.81kb.
- Новая модель Вселенной, 244.12kb.
- Модель большого взрыва и расширяющейся вселенной содержание, 113.55kb.
- «Рождение и эволюция вселенной (Теория Большого Взрыва)», 3066.43kb.
- Лекция 5 Методы построения математических моделей асу, 53.76kb.
- Размеры гравитона и фотона или уравнения Вселенной, 122.01kb.
- Примеры моделей дискретных элементов рэа. Модель пленочного резистора. Модель диффузного, 131.9kb.
- «Стационарная модель Вселенной», 90.92kb.
- Космологическая модель без сингулярностей, 142.21kb.
В 1900 году проф. Планк создал систему "абсолютных единиц", в основу которой положены "универсальные константы", а именно: первая – скорость света в вакууме; вторая – гравитационная постоянная; третья – постоянная величина, которая играет важную роль в термодинамике (энергия, деленная на температуру); четвертая – постоянная величина, называемая "действием" (энергия, умноженная на время), которая представляет собой наименьшее возможное количество работы, ее "атом".
Пользуясь этими величинами, Планк получил систему единиц, которую считает абсолютной и совершенно независимой от произвольных решений человека; он принимает свою систему за натуральную. Планк утверждает, что эти величины сохраняют свое естественное значение до тех пор, пока остаются неизменными закон всемирного тяготения, скорость распространения света в вакууме и два основных принципа термодинамики; они будут одними и теми же для любых разумных существ при любых методах определения.
Однако закон всемирного тяготения и закон распространения света в вакууме – два самых слабых пункта в физике, поскольку на самом деле они являются вовсе не тем, за что их принимают. Поэтому вся система мер, предложенная Планком, весьма ненадежна. Интересен здесь не столько результат, сколько сам принцип, т.е. признание необходимости отыскать естественные меры вещей.
Закон всемирного тяготения был сформулирован Ньютоном в его книге "Математические принципы натуральной философии", которая вышла в Лондоне в 1687 году. Этот закон с самого начала известен в двух формулировках: научной и популярной.
Научная формулировка такова:
Между двумя телами в пространстве наблюдаются явления, которые можно описать, предполагая, что два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
А вот популярная формулировка:
Два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Во второй формулировке совершенно забыто то, что сила притяжения представляет собой фиктивную величину, принятую лишь для удобства описания явлений. И сила притяжения считается реально существующей, как между Солнцем и Землей, так и между Землей и брошенным камнем.
(Последняя электромагнитная теория гравитационных полей догматизирует вторую точку зрения.)
Проф. Хвольсон пишет в своем "Курсе физики":
Колоссальное развитие небесной механики, полностью основанной на законе всемирного тяготения, признанного как факт, заставило ученых забыть чисто описательный характер этого закона и увидеть в нем окончательную формулировку действительно существующего физического явления.
В законе Ньютона особенно важно то, что он дает очень простую математическую формулу, которую можно применять во всей вселенной и на основании которой с поразительной точностью вычислять любые движения, в том числе движения планет и небесных тел. Конечно, Ньютон никогда не утверждал, что он выражает факт действительного притяжения тел друг к другу; не определил он и того, почему они притягивают друг друга и посредством чего.
Каким образом Солнце может влиять на движение Земли через пустое пространство? Как вообще понимать возможность действия через пустое пространство? Закон тяготения не дает ответа на этот вопрос, и сам Ньютон вполне это понимал. И он сам, и его современники Гюйгенс и Лейбниц предостерегали против попыток видеть в законе Ньютона решение проблемы действия через пустое пространство; для них этот закон был просто формулой для вычислений. Тем не менее, огромные достижения физики и астрономии, возможные благодаря использованию закона Ньютона, стали причиной того, что ученые забыли эти предостережения; и постепенно укрепилось мнение, что Ньютон открыл силу притяжения.
Хвольсон пишет в своем "Курсе физики":
Термин "действие на расстоянии" обозначает одну из самых вредных доктрин, когда-либо возникавших в физике и тормозивших ее прогресс; эта доктрина допускает возможность мгновенного воздействия одного предмета на другой, находящийся на таком расстоянии от него, что непосредственный их контакт оказывается невозможным.
В первой половине XIX века идея действия на расстоянии господствовала в науке безраздельно. Фарадей был первым, кто указал на недопустимость воздействия какого-то тела на некоторую точку, в которой это тело не расположено, без промежуточной среды. Оставив в стороне вопрос о всемирном тяготении, он обратил особое внимание на явления электричества и магнетизма и указал на чрезвычайно важную роль в этих явлениях "промежуточной среды", которая заполняет пространство между телами, как будто бы действующими друг на друга непосредственно.
В настоящее время убеждение о недопустимости действия на расстоянии в любой сфере физических явлений получило всеобщее признание.
Однако старая физика смогла отбросить действие на расстоянии лишь после того, как приняла гипотезу универсальной среды, или эфира. Эта гипотеза оказалась необходимой и для теории световых и электрических явлений, как они понимались старой физикой.
В XVIII веке световые явления объяснялись гипотезой излучения, выдвинутой в 1704 году Ньютоном. Эта гипотеза предполагала, что светящиеся тела излучают во всех направлениях мельчайшие частицы особой световой субстанции, которые распространяются в пространстве с огромной скоростью и, попадая в глаз, вызывают в нем ощущение света. В этой гипотезе Ньютон развивал идеи древних; у Платона, например, часто встречается выражение: "свет наполнил мои глаза".
Позднее, главным образом в XIX веке, когда внимание исследователей обратилось на те последствия световых явлений, которые невозможно объяснить гипотезой излучения, широкое распространение получила другая гипотеза, а именно, гипотеза волновых колебаний эфира. Впервые она была выдвинута голландским физиком Гюйгенсом в 1690 году, однако в течение долгого времени не принималась наукой. Впоследствии исследование дифракции все-таки качнуло чашу весов в пользу гипотезы световых вон и против гипотезы излучения; а последующие труды физиков в области поляризации света завоевали этой гипотезе всеобщее признание.
В волновой гипотезе световые явления объясняются по аналогии со звуковыми. Подобно тому, как звук есть результат колебаний частиц звучащего тела и распространяется благодаря колебаниям частиц воздуха или иной упругой среды, так, согласно этой гипотезе, и свет есть результат колебаний молекул светящегося тела, а его распространение происходит благодаря колебаниям чрезвычайно упругого эфира, заполняющего как межзвездные, так и межмолекулярные пространства.
В XIX веке теория колебаний постепенно стала основанием всей физики. Электричество, магнетизм, тепло, свет, даже мышление и жизнь (правда, чисто диалектически) объяснялась с точки зрения теории колебаний. Нельзя отрицать, что для явлений света и электромагнетизма теория колебаний давала очень удобные и простые формулы для вычислений. На основе теории колебаний был сделан целый ряд блестящих открытий и изобретений.
Но для теории колебаний требовался эфир. Гипотеза об эфире возникла для объяснения самых разнородных явлений, и потому эфир приобрел довольно странные и противоречивые свойства. Он вездесущ; он заполняет всю вселенную, пронизывает все ее точки, все атомы и межатомные пространства. Он непрерывен и обладает абсолютной упругостью; однако он настолько разрежен, тонок и проницаем, что все земные и небесные тела проходят сквозь него, не испытывая заметного противодействия своему движению. Его разреженность настолько велика, что если бы эфир сгустился в жидкость, вся его масса в пределах Млечного Пути поместилась бы в одном кубическом сантиметре.
Вместе с тем, сэр Оливер Лодж считает, что плотность эфира в миллиард раз выше плотности воды. С этой точки зрения, мир оказывается состоящим из твердой субстанции – "эфира", – которая в миллионы раз плотнее алмаза; а известная нам материя, даже самая плотная, всего лишь пустое пространство, пузырьки в массе эфира.
Было предпринято немало попыток доказать существование эфира или обнаружить факты, подтверждающие его существование.
Так, допускалось, что существование эфира можно было бы установить, если бы удалось доказать, что какой-то луч света, движущийся быстрее, чем другой луч света, определенным образом меняет свои характеристики.
Известен следующий факт: высота звука возрастает или понижается в зависимости от того, приближается слушатель к его источнику или удаляется от него. Это так называемый принцип Доплера; теоретически его считали применимым и к свету. Он означает, что быстро приближающийся или удаляющийся предмет должен менять свой цвет – подобно тому, как гудок приближающегося или удаляющегося паровоза меняет свою высоту. Но из-за особого устройства глаза и скорости его восприятия невозможно ожидать, что глаз заметит перемену цвета, даже если она действительно имеет место.
Для установления факта изменения цвета необходимо было использовать спектроскоп, т.е. разложить луч света и наблюдать каждый цвет в отдельности. Но эти эксперименты не дали положительных результатов, так что доказать с их помощью существование эфира не удалось.
И вот, чтобы раз и навсегда решить вопрос о том, существует эфир или нет, американские ученые Майкельсон и Морли в середине 80-х годов прошлого столетия предприняли серию экспериментов с прибором собственного изобретения.
Прибор помещался на каменной плитке, укрепленной на деревянном поплавке, который вращался в сосуде со ртутью и совершал один оборот за шесть минут. Луч света из особой лампы падал на зеркала, прикрепленные к вращающемуся поплавку; этот свет частью проходил сквозь них, а частью ими отражался, причем одна половина лучей шла по направлению движения Земли, а другая – под прямым углом к нему. Это значит, что в соответствии с планом эксперимента половина луча двигалась с нормальной скоростью света, а другая половина – со скоростью света плюс скорость вращения Земли. Опять-таки согласно плана эксперимента, при соединении расщепленного луча должны были обнаружиться определенные световые феномены, возникающие вследствие различия скоростей и показывающие относительное движение между Землей и эфиром. Таким образом, косвенно удалось бы доказать существование эфира.
Наблюдения производились в течение длительного времени, как днем, так и ночью; но обнаружить какие-либо явления, подтверждающие существование эфира, так и не удалось.
С точки зрения первоначальной задачи пришлось признать, что эксперимент окончился неудачей. Однако он раскрыл другое явление (гораздо более важное, чем то, которое пытался установить), а именно: скорость света увеличить невозможно. Луч света, двигавшийся вместе с Землей, ничем не отличался от луча света, двигавшегося под прямым углом к движению Земли по орбите.
Пришлось признать как закон, что скорость света представляет собой постоянную и максимальную величину, увеличить которую невозможно. Это, в свою очередь, объясняло, почему к явлениям света не применим принцип Доплера. Кроме того, было установлено, что общий закон сложения скоростей, который является основой механики, к скорости света не применим.
В своей книге об относительности проф. Эйнштейн объясняет, что если мы представим себе поезд, несущийся со скоростью 30 км в секунду, т.е. со скоростью движения Земли, и луч света будет догонять или встречать его, то сложения скоростей в этом случае не произойдет. Скорость света не возрастет за счет прибавления к ней скорости поезда, и не уменьшится за счет вычитания из нее скорости поезда.
В то же время было установлено, что никакие существующие инструменты или средства наблюдения не могут перехватить движущийся луч. Иными словами, нельзя уловить конец луча, который еще не достиг своего назначения. Теоретически мы можем говорить о лучах, которые еще не достигли некоторого пункта; но на практике мы не способны их наблюдать. Следовательно, для нас с нашими средствами наблюдения распространение света оказывается мгновенным.
Одновременно физики, которые анализировали результаты эксперимента Майкельсона-Морли, объясняли его неудачу присутствием новых и неизвестных явлений, порожденных высокими скоростями.
Первые попытки разрешить этот вопрос были сделаны Лоренцом и Фицджеральдом. Опыт не мог удаться, – так сформулировал свои положения Лоренц, – ибо каждое тело, движущееся в эфире, само подвергается деформации, а именно: оно сокращается в направлении движения (для наблюдателя, пребывающего в покое). Основывая свои рассуждения на фундаментальных законах механики и физики, Лоренц с помощью ряда математических построений показал, что установка Майкельсона и Морли подвергалась сокращению и размеры этого сокращения как раз таковы, чтобы уравновесить смещение световых волн, которое соответствовало их направлению в пространстве, и что это аннулировало различия в скорости двух лучей.
Выводы Лоренца о предполагаемом смещении и сокращении движущегося тела, в свою очередь, дали толчок многим объяснениям; одно из них было выдвинуто с точки зрения специального принципа относительности Эйнштейна. Но это уже область новой физики.
Старая физика была неразрывно связана с теорией колебаний.
Новой теорией, которая появилась, чтобы заменить старую теорию колебаний, стала теория корпускулярного строения света и электричества, рассматриваемых как независимо существующая материя, состоящая из квантов.
Это новое учение, говорит Хвольсон, означает возвращение к теории излучений Ньютона, хотя и в значительно измененном варианте. Оно далеко еще от завершения, и важнейшая его часть, понятие кванта, до сих пор остается не определенным. Что такое квант – этого новая физика определить не может.
Теория корпускулярного строения света и электричества совершенно переменила воззрения на электричество и световые явления. Наука перестала видеть главную причину электрических явлений в особых состояниях эфира и вернулась к старой теории, согласно которой электричество – это особая субстанция, обладающая реальным существованием.
То же самое произошло и со светом. Согласно современным теориям, свет – это поток мельчайших частиц, несущихся в пространстве со скоростью 300 000 км в секунду. Это не корпускулы Ньютона, а особого рода материя-энергия, создаваемая электромагнитными вихрями.
Материальность светового потока была установлена в опытах московского профессора Лебедева. Лебедев доказал, что свет имеет вес, т.е. падая на тела, он оказывает на них механическое давление. Характерно, что, начиная свои эксперименты по определению светового давления, Лебедев исходил из теории колебаний эфира. Этот случай показывает, как старая физика сама себя опровергла.
Открытие Лебедева оказалось очень важным для астрономии; оно объяснило, например, некоторые явления, наблюдавшиеся при прохождении хвоста кометы около Солнца. Но особую важность оно приобрело для физики, поскольку предоставило новые доводы в пользу единства строения лучистой энергии.
Невозможность доказать существование эфира, установление абсолютной и постоянной скорости света, новые теории света и электричества и, прежде всего, исследование строения атома – все это указывало на самые интересные линии развития новой физики.
Из этого направления физики развилась еще одна дисциплина новой физики, получившая название математической физики. Согласно данному ей определению, математическая физика начинается с какого-то факта, подтвержденного опытом и выражающего некоторую упорядоченную связь между явлениями. Она облекает эту связь в математическую форму, после чего как бы переходит в чистую математику и начинает исследовать при помощи математического анализа те следствия, которые вытекают из основных положений (Хвольсон).
Таким образом, представляется, что успех или неуспех выводов математической физики зависит от трех факторов: во-первых, от правильности или неправильности определения исходного факта; во-вторых, от правильности его математического выражения; и в третьих, от точности последующего математического анализа.
Было время, когда значение математической физики сильно преувеличивали, – пишет Хвольсон. – Ожидалось, что именно математическая физика определит принципиальный курс в развитии физики, но этого не случилось. В выводах математической физики налицо множество существенных ошибок. Во-первых, они совпадают с результатами прямого наблюдения обычно только в первом, грубом приближении. Причина этого та, что предпосылки математической физики можно считать достаточно точными лишь в самых узких пределах; кроме того, эти предпосылки не принимают во внимание целый ряд сопутствующих обстоятельств, влиянием которых вне этих узких предпосылок нельзя пренебрегать. Поэтому выводы математической физики относятся только к идеальным случаям, которые невозможно осуществить на практике и которые зачастую очень далеки от действительности.
И далее:
К этому необходимо добавить, что методы математической физики позволяют решать специальные проблемы лишь в самых простых случаях. Но практическая физика не в состоянии ограничиваться такими случаями; ей то и дело приходится сталкиваться с проблемами, которые математическая физика разрешить не может. Более того, результаты выводов математической физики бывают настолько сложными, что практическое их применение оказывается невозможным.
* * *
В дополнение к сказанному нужно упомянуть еще одну характерную особенность математической физики: как правило, ее выводы можно сформулировать только математически; они теряют всякий смысл, всякое значение, если попытаться истолковать их на языке фактов.
Новая физика, развившаяся из математической физики, обладает многими ее чертами. Так, теория относительности Эйнштейна является новой главой новой физики, возникшей из физики математической, но неверно отождествлять теорию относительности с новой физикой, как это делают некоторые последователи Эйнштейна. Новая физика может существовать и без теории относительности. Но с точки зрения новой модели вселенной теория относительности представляет для нас большой интерес, потому что она, помимо прочего, имеет дело с фундаментальным вопросом о форме мира.
Существует огромная литература, посвященная изложению, объяснению, популяризации, критике и разработке принципов Эйнштейна; но по причине тесной связи между теорией относительности и математической физикой, выводы из этой теории трудно сформулировать логически. Необходимо принять во внимание и то, что ни самому Эйнштейну, ни кому-либо из его многочисленных последователей и толкователей не удалось объяснить смысл и сущность его теории ясным и понятным образом.
Одна из главных причин этого указана Бертраном Расселом в его популярной книжке "Азбука относительности". Он пишет, что название "теория относительности" вводит читателей в заблуждение, что Эйнштейну приписывают тенденцию доказать, что "все относительно" тогда как на самом деле он стремится открыть и установить то, что не является относительным. Было бы еще правильнее сказать, что Эйнштейн старается установить взаимоотношения между относительным и тем, что не является относительным.
* * *
Далее Хвольсон пишет в своем "Курсе физики":
Главное место в теории относительности Эйнштейна занимает совершенно новая и, на первый взгляд, непонятная концепция времени. Чтобы привыкнуть к ней, необходимы определенные усилия и продолжительная работа над собой. Но бесконечно труднее принять многочисленные следствия, вытекающие из принципа относительности и оказывающие влияние на все без исключения области физики. Многие из этих следствий явно противоречат тому, что принято (хотя и не всегда справедливо) называть "здравым смыслом". Некоторые такие следствия можно назвать парадоксами нового учения.
Идеи Эйнштейна о времени можно сформулировать следующим образом:
Каждая из двух систем, движущихся друг относительно друга, имеет свое собственное время, воспринимаемое и измеряемое наблюдателем, движущимся вместе с одной из систем.
Понятия одновременности в общем смысле не существует. Два события, которые происходят в разных системах, могут казаться одновременными наблюдателю в каком-то одном пункте, а для наблюдателя в другом пункте они могут происходить в разное время. Возможно, для первого наблюдателя одно и то же явление произойдет раньше, а для второго – позже (Хвольсон).
Далее Хвольсон выделяет следующие из идей Эйнштейна:
Эфира не существует.
Понятие пространства, взятое в отдельности, лишено смысла. Только сосуществование пространства и времени реально.
Энергия обладает инертной массой. Энергия аналогична материи; имеет место преобразование того, что мы называем масой осязаемой материи, в массу энергии, и наоборот.
Необходимо отличать геометрическую форму тела от его кинетической формы.
Последнее положение указывает на определенную связь между теорией Эйнштейна и положениями Лоренца и Фицджеральда относительно сокращения движущихся тел. Эйнштейн принимает это положение, хотя говорит, что основывает его на других принципах, нежели Лоренц и Фицджеральд, а именно: на специальном принципе относительности. Вместе с тем, теория относительности принимает, как необходимое основание, теорию сокращения тел, выводимую не из фактов, а из преобразований Лоренца.
Пользуясь исключительно преобразованиями Лоренца, Эйнштейн утверждает, что жесткий стержень, движущийся в направлении своей длины, будет короче того же стержня, пребывающего в состоянии покоя; чем быстрее движется такой стержень, тем короче он становится. Стержень, движущийся со скоростью света, утрачивает третье измерение и превращается в свое собственное свечение.
Сам Лоренц утверждал, что, когда электрон движется со скоростью света, он исчезает.
Эти утверждения доказать невозможно, поскольку такие сжатия, если они действительно происходят, слишком незначительны при возможных для нас скоростях. Тело, которое движется со скоростью Земли, т.е. 30 км в секунду, должно, согласно расчетам Лоренца и Эйнштейна, испытывать сжатие в 1:100000 своей длины; иными словами, тело длиной в 100 м сократится на 1 мм.
Интересно отметить, что предположения о