Теория относительности Эйнштейна и становление неклассической науки

 

 

4. Становление неклассической науки

 

1. Хронология науки

В истории Европы XIX -XX вв. достаточно четко выделяется ряд характерных рубежей и периодов.

 

Рубеж середины XIX в. обозначен революциями 1848 г.;   конец века ("fin de siecle") - период кризиса, нижняя граница которого выделяется в одних областях культуры довольно резко (1890), а в других - менее резко, захватывая всю последнюю треть XIX в.  Верхняя граница этого периода сомнений, метаний, мрачных предчувствий более или менее совпадает с 1914 г. - началом первой мировой войны. Это поворотный рубеж в истории Европы, обозначающий окончание "предродовых схваток" и вступление Европы в бурную полосу войн и революций, а также революционного "бурления" гениальных идей в литературе, искусстве, философии, науке и инженерной мысли, продолжавшегося до конца 1920-х годов.

В период 1910-1920-х годов рождаются новые идеи,   рост которых определил развитие всего XX в.  Во всех областях науки шло планомерное развитие гениальных начинаний предыдущего периода. Существенные изменения происходили и в технике: ее совершенствование стимулировали мировые войны. 1960-х годах  Мир вступил в новый период. Обозначенные рубежи четко проявляются и в социально-политической сфере, и в литературе и искусстве, и в философии, и в инженерной мысли, и в науке.

 

 

 

 

 

 

 

2. Неклассическая наука и ее концептуальные основы

В конце XIX - начале XX века на смену классической науки пришла неклассическая. В классической науке  все взаимодействия веществ описывались  при помощи ньютоновской механики, в которой, основными понятиями  были время, пространство, материя и сила. Но исследования Фарадея и Максвелла явлений магнетизма и электричества, которые не укладывались в классическую механику, положили начало неклассической науки. Новое состояние, способное порождать силу и не ограниченно полем в теории Максвелла было названо полем. С этого времени видимость физического мира ограничилась. Утратило смысл понятие пустое пространство, при исследовании микромира и мегамира масса стала пониматься как одна из форм энергии, а время как не имеющее единого течения.

В этот период ставиться под сомнения концепция классического знания. Возникает вопрос, а возможно ли создать точную копию реальности? В результате выяснилось, что одна и та же реальность может быть описана в разных теориях, методы исследования зависят от объекта, кроме того сама методика перестали связываться только с объектом. Мах считал нецелесообразным обращаться к понятию объективности реальности. Он настаивал на том, что «все физические определения относительны». Такая логика стала в физике революционной, её придерживались многие учёные.

В 1905 году была обнародована теория относительности Эйнштейна. Она включала в себя общую и  специальную теории относительности. СТО включает в себя два основных постулата:

- Скорость света в  вакууме одинакова во всех  инерциальных системах отсчёта и равна 108 м/с.

- Законы природы и  выражающие их уравнения инвариантны  во всех инерциальных системах  отсчёта.

В СТО не существует пространства и времени самих по себе, речь идёт о «Пространстве-времени» или  об импульсе. Интервал связывает пространственно расстояние и промежутки времени, разделяющие два события.

Общая теория относительности  формулируется следующим образом  «Движение тел в неинерциальной системе отсчёта подчиняется  тем же законам, что и движение в инерциальной системе в присутствии  гравитационного поля». ОТО существенно  изменила представления физической науки об объективности. Масса, считавшаяся неизменной характеристикой вещества, оказалась зависящей от скорости движения тела, пространство может искривляться вблизи гравитирующих масс, время замедляться. ОТО ставит под сомнения даже основные принципы классической механики, как например то, что длина покоящегося и движущегося стержня одинаковы. Так же в рамках ОТО Эйнштейн установил, что масса и энергия проявляются одна через другую, и в элементарных актах они могут переходить одна в другую.

Проблема физической реальности обострилась из-за релятивизма физики. Это произошло из-за того, что ОТО расшатала одну из важнейших опор классической физики - понятие объективности.

Окончательно притязания на точное и объективное знание в  физике уничтожила квантовая механика. В ней нет места законам, в ней существуют только закономерности. Наши представления о событиях в квантовой механике формируются только на основе статистических данных, в то время как в классической физике измеряемая величина являлась однозначной. В квантовой механике даже одинаковые частицы, находящиеся в одинаковых условиях могут вести себя по-разному.

Непосредственно не наблюдаемые  частицы микромира создавали  не столько реальный мир, сколько  мир тенденций и возможностей. Частицы микромира могут быть заданы математически, что позволило математикам утверждать, что мир есть не столько тот мир, о котором говорят нам наши несовершенные органы чувств, сколько то, что говориться нам математическими теориями.

Отличие квантово-механической реальности от классической в том, что классическая картина мира должна состоять только из объектов изучения, быть объектной, а квантово-механическая картина мира включает в себя не только изучаемый предмет, но и измерительные приборы, и сам акт измерения. В связи с этим Бор ввёл принцип дополнительности, который формулируется следующим образом: «Ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. «Несовместимости» с точки зрения классической науки в рамках неклассической не исключают, а дополняют друг друга». Этот принцип он ввёл для описания объектов микромира. Физический смысл принципа дополнительности связан с принципом неопределённости Гейзенберга, сформулированным в 1927 году: «Невозможно одновременно с одинаковой точностью определить координату и импульс или энергию и время взаимодействия частиц». То есть в квантовой механике не существует состояний, в которых и местоположения, и количество движений имели бы определённое значение. Бор подчёркивал, что введение в физику условий познания не приводит к субъективизму, а наоборот привносит адекватное описание в изучаемый процесс или явление. В классической науке описание природы базировалось на предпосылке, что за явлением можно наблюдать, не оказывая на него влияния. В квантовой области всякое наблюдение за атомными явлениями включает такое взаимодействие атомов со средствами наблюдения, которым нельзя пренебречь. Взаимодействие наблюдаемых микрообъектов и средств наблюдения имеет целостный характер, а значит ни средства, ни объекты наблюдения нельзя рассматривать самостоятельно.

В то время как в  классической механике элементами реальности были вещи, в квантовой механике в роли элементов физической реальности выступают акты взаимодействия объекта  с прибором, то есть процессы наблюдения. Свойства микрообъекта изменяются в связи с использованием того или иного макрообъекта, для наблюдения за ними. По отношению к разным приборам микрообъект обладает разными свойствами, так что определенность его характеристик качественна и конкретна.

Сложность ситуации заключается  также в том, что разные измерения, проведенные с помощью одного прибора над одним и тем  же микрообъектом, дают различные количественные значения. В связи с этим появляется новая гносеологическая ситуация - различие в степени определенности существующего.

Неклассическая наука  отказалась от основных постулатов позитивистской научности - фундаментализма, универсализма, интерсубъективности, кумулятивизма. Центральным аспектом науки стали не объекты, а отношения. В познании квантово-механической реальности складывается ситуация образования проектов реальности. Уже не имеет смысла говорить о реальности самой по себе. Реальность как бы расщепляется на потенциальную и актуальную. Актуальная реализована в акте наблюдения, потенциальная нами непосредственно не воспринимается, но от этого не менее реальна. В квантовой механике совершенно иной характер приобретает наглядность, сложность, реальность. В квантово-теоретической онтологии осуществляется отказ от представлений сложившихся в декартовой физике о существовании бытия самого по себе. Следствием этого явилось изменение мировоззрения.

Благодаря открытиям  в области физики, формулировании теории относительности изменился  взгляд учёных на Космос и Вселенную.

Когда Эйнштейн создал ОТО он решил применить её к описанию всей Вселенной. В качестве метода он взял принцип неизменности космоса. Поскольку уравнения ОТО не давали должного статического решения, ученый ввел гипотетический «космологический член» как фактор устойчивости, уравновешивающий всемирное тяготение. Так, в 1917г. возникла космологическая модель статической Вселенной.

В 1922-1924 гг. советский  математик А.А. Фридман на основе ОТО получил модель космоса, меняющегося  с течением времени. Исходя из начальных  уравнений Эйнштейна, не используя никаких нововведений, Фридман пришёл к выводу, что мир космических объектов должен постоянно изменяться, то есть космические объекты должны либо отдаляться друг от друга, либо сближаться. Хотя Эйнштейн, в конце концов, признал вывод Фридмана математически правильным, абсолютное большинство ученых отдало предпочтение статической модели, за которой стояли мировоззренческая традиция и авторитет Эйнштейна.

Астрономы и астрофизики  пришли к выводу, что Вселенная  находится в состоянии непрерывной эволюции. Звезды, которые образуются из газово-пылевой межзвездной среды, в основном из водорода и гелия, под действием сил гравитации различаются по "возрасту". Причем образование новых звезд происходит и сейчас.

Сжимаясь под действием  гравитационных сил, звезда нагревается, внутри нее растет давление. При достижении определенной критической температуры начинается термоядерная реакция, сопровождающаяся выделением огромного количества тепла. На следующей стадии под действием гравитационных сил наступает момент равновесия. В этом состоянии звезда может существовать довольно долго. Но потом наступает момент, когда водород, находящийся в центре звезды, где происходит термоядерная реакция, будет израсходован. Температура внутри звезды будет уменьшаться, будет снижаться давление и иссякнут возможности сопротивляться гравитации. Ядро звезды, состоящее теперь уже только из гелия, начинает сжиматься, образуя плотную, горячую область. Теперь термоядерная реакция будет протекать на периферии звезды, где еще сохранился водород. В это время размер звезды и ее светимость увеличиваются. В результате она превращается в красного гиганта. Температура гелиевого ядра возрастает, и начинается новая ядерная реакция превращения гелия в углерод.

В 1903 г. русским ученым, большую часть своей жизни проработавшим учителем физики и математики, Циолковским в работе "Исследование мировых пространств реактивные приборами" были заложены начала теории космических полетов. В ней сформулированы основные принципы баллистики ракет, предложена схема жидкостного реактивного двигателя, а также принцип конструирования ракет - идеи, которые несколько позднее были востребованы и творчески освоены последователями Циолковского. Создается наука, нацеленная на изучение и освоение космического пространства - космонавтика.

Революция в физике оказала  непосредственное влияние на химию  и биологию, позволив производить  неслыханные манипуляции с атомами, молекулами, клетками и их генетической структурой. Уже никого не удивляет, что химики занимаются веществами на уровне их молекулярной структуры, изменяя строение молекул по своему желанию. Генная инженерия позволяет человеку активно вмешиваться в процесс эволюции.

 

 

Заключение

Теория относительности  А. Эйнштейна – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. В основе теории относительности лежат два положения: принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета, и постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости движения источника света. Эти два постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой – преобразования Лоренца, для которых характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени). Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты специальной теории относительности: существование предельной скорости передачи любых взаимодействий – максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме; относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени в быстро движущемся теле и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тел и др. Все эти закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.

Теория относительности  выявила ограниченность представлений  классической физики об «абсолютных» пространстве и времени, неправомерность  их обособления от движущейся материи; она дает более точное, по сравнению с классической механикой, отображение объективных процессов реальной действительности.

Ряд выводов  общей теории относительности качественно  отличаются от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие среди них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени, существованием гравитационных волн (гравитационного излучения).

Представления о пространстве и времени составляют основу физического миропонимания, что уже само по себе определяет значение теории относительности. Особенно велика ее роль в физике ядра и элементарных частиц, в том числе и для расчетов гигантских установок, которые предназначены для потоков очень быстрых частиц, необходимых для экспериментов, позволяющих продвинуться в изучении строения материи.

В неклассической науке появилось много принципиально  новых теорий и законов по сравнению  с классической науки. Решающие шаги в становлении новых представлений  были сделаны в области атомной  и субатомной физики, где человек попал в совершенно новую познавательную ситуацию. Те понятия (положение в пространстве, скорость, сила, траектория движения и т.п.), которые с успехом работали при объяснении поведения макроскопических природных тел, оказались неадекватными и, следовательно, непригодными для отображения явлений микромира. В теоретический аппарат естествознания были введены понятия, которые позволяют определить вероятность того, что соответствующие наблюдаемые величины будут иметь те или иные значения в тех или иных ситуациях.

Ещё одной особенностью неклассического естествознания является преобладание же упомянутого вероятностно-статистического  подхода к природным явлениям и объектам, что фактически означает отказ от концепции детерминизма. Для неклассического естествознания характерно объединение противоположных классических понятий и категорий. Например, в современной науке идеи непрерывности и дискретности уже не являются взаимоисключающими, а могут быть применены к одному и тому же объекту, в частности, к физическому полю или к микрочастице. Другим примером может служить относительность одновременности: события, одновременные в одной системе отсчета, оказываются неодновременными в другой системе отсчета, движущейся относительно первой.

Особенностью  неклассической науки являлось также явное предпочтение методу математической гипотезы, усложнение математической символики все чаще стали выступать средствами создания новых теоретических конструкций, связь которых с опытом оказывается не прямой и не тривиальной.