Релятивистская картина мира

Работы А. Эйнштейна и Г. Минковского в 1905—1908 гг. полностью изменили представления людей об окружающем мире. Пожалуй, самым поразительным в специальной теории относительности был новый, свежий взгляд на привычные окружающие нас события, х Ясно, что для распространения света не нужна особая светоносная среда — эфир: свет, как и любые другие электромагнитные волны, может распространяться в свободном от вещества пространстве или какой-то другой субстанции. Ясно, что скорость света одинакова в любой инерциальной системе отсчета и не зависит от скорости приемника или источника света. Скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью движения материальных объектов, и этот экспериментальный факт изменил представления классической физики о свойствах пространства и времени. Если раньше исходя из особенностей движения материальных тел пространство и время воспринимались как независимые друг от друга характеристики физических процессов, тр с открытием электромагнитных волн с их необычными свойствами появилась возможность объединить пространство и время в одно пространство — время. Введение четырехмерного пространства Минковского по своему воздействию на умонастроения как людей науки, так и людей, далеких от нее, можно сравнить с открытием Евклидом законов геометрии, или с открытием Коперником гелиоцентрической системы отсчета, или с открытием Галилеем и Ньютоном законов механического движения, или с открытием Максвеллом законов электромагнитного поля. Каждое из перечисленных событий в интеллектуальной истории человечества явилось поворотным моментом в его развитии, вызвавшим резкое ускорение темпов научных исследований и прорыв в создании новых технологий. Став участником событий в четырехмерном пространстве — времени, человек осознал значение вещества и поля как основных участников физических взаимодействий и процессов и их органическую взаимосвязь; открытие же четырехмерного пространства энергии — импульса обеспечило ему доступ практически к неисчерпаемым источникам энергии. Идеи относительности совершили переворот в сознании людей за счет возможности изменить точку зрения на происходящие вокруг них события, взглянуть на них глазами наблюдателя из другого мира, другой системы отсчета. Это оказалось чрезвычайно полезным, так как то, что казалось незыблемым и абсолютным, оказалось относительным и зависящим от выбранной системы отсчета и, наоборот, появились новые инварианты, которых не знала классическая физика. Конец XIX — начало XX в. ознаменовались целой серией физических открытий, которые в совокупности не могли найти объяснение в рамках классической физики. К их числу относятся открытие в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном знаменитых ЛЧгсучей, получивших впоследствии название рентгеновских лучей, открытие в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем естественной радиоактивности, открытие в 1897 г. английским физиком Дж.Дж. Томсоном первой элементарной частицы — электрона, открытие в 1900 г. немецким физиком М. План-ком квантовой природы света при рассмотрении проблемы излучения абсолютно черного тела, открытие в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем явления фотоэффекта и его объяснение в 1905 г. другим немецким физиком А. Эйнштейном, открытие в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом ядра у атомов вещества и объяснение в 1913 г. устойчивости атомов датским физиком Н. Бором. Этот список можно было бы продолжить, но уже и из этого неполного перечня физических открытий ясно, что в начале XX в. был заложен экспериментальный фундамент новой физики, развитие которой привело к ошеломляющим результатам.

Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, — релятивистскими скоростями. Основным отличием СТО от классической механики является зависимость (наблюдаемых) пространственных и временных характеристик от скорости.

Центральное место в специальной теории относительности занимают преобразования Лоренца, которые позволяют преобразовывать пространственно-временные координаты событий при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Специальная теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном в работе 1905 года «К электродинамике движущихся тел». Математический аппарат преобразований координат и времени между различными системами отсчета (с целью сохранения уравнений электромагнитного поля), был ранее сформулирован французским математиком А. Пуанкаре (который и предложил их назвать «преобразованиями Лоренца» — сам Лоренц вывел до этого только приближённые формулы). А. Пуанкаре также первым показал, что эти преобразования можно интерпретировать как повороты в четырехмерном пространстве-времени с мнимым временем (опередив Г. Минковского) и показал, что преобразования Лоренца образуют группу. Непосредственно термин «теория относительности» был предложен М. Планком. В дальнейшем, после разработки А. Эйнштейном теории гравитации — общей теории относительности — к первоначальной теории начал применяться термин «специальная» или «частная» теория относительности.

2. Квантово-полевая картина мира

Практические потребности людей, их постоянный интерес к вопросу об устройстве мира, привели к созданию совершенно новой теории - квантовой теории поля и на её основе квантово-полевой картины мира (КПКМ).

В КПКМ возникает новая концепция - квантовое волновое поле, которое является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее проявлений, как волновых, так и корпускулярных. На смену классическим полям типа электромагнитного поля Фарадея-Максвелла и классическим частицам приходят единые объекты - квантовые поля.

Основоположниками новой физической картины мира стали Макс Планк, Нильс Бор, Луи де Бройль, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вернер Гейзенберг и многие другие не менее известные и выдающиеся учёные.

Центральными понятиями новой картины мира стали понятия «квант энергии», «дискретные состояния», «корпускулярно-волновой дуализм».

У частиц обнаружили волновые свойства (дифракция электронов), у электромагнитных волн - корпускулярные. Оказалось, что законы макромира отличаются от законов микромира. Микрообъекты обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

На первое место в изучении явлений природы выдвинулись квантовая механика и квантовая электродинамика. В КПКМ выясняется обменный характер взаимодействия, описываются четыре вида фундаментальных силовых взаимодействий, возникают новые представления о материи, движении, взаимодействии, энергии, массе.

Как и остальные картины мира, за время своего существования в XX веке КПКМ претерпевало существенное развитие. Полное и целостное рассмотрение квантово-полевой картины мира является очень сложной задачей и на данном этапе практически невыполнимой, но отдельные элементы КПКМ изучаются в старших классах средней школы на занятиях по физике, химии, биологии и астрономии.

Благодаря многочисленным экспериментам и настойчивым теоретическим изысканиям у физиков ХХ века появилось ощущение необыкновенного могущества, когда наука существенно продвинулась в изучении строения атома и атомного ядра, природы элементарных частиц. Это чувство подкрепилось в середине и во второй половине ХХ века, когда законы современной физики оказалось возможным применить к явлениям жизни. Не случайно основоположниками молекулярной биологии считаются в том числе и известные физики (Эрвин Шрёдингер, Макс Дельбрюк).

В квантово-полевой картине мира рассматриваются, изучаются и объясняются явления, остававшиеся загадочными в других картинах мира, возникших на более ранних этапах развития науки, решаются задачи, неразрешимые для мыслителей древности, представителей механической и электромагнитной картин мира. Мы знаем, как устроен микромир до расстояний 10-17 м и мегамир до расстояний 1027 м. Никогда еще мы не знали о природе так много и точно.

И электрический ток в полупроводниках (исследование которого подарило нам современные компактные радио- и телевизионные устройства, компактные и удобные мобильные средства связи, компьютеры – электронно-вычислительные машины); и сверхпроводимость (с которой связывают будущее цивилизации); и новые конструкционные материалы (современная химия – это квантовая химия, а смысл периодической системы нашего с Вами гениального соотечественника Д.И.Менделеева объясняется только этой картине мира); и источники энергии, благодаря которым мы сохранили нашу биосферу пригодной для существования человека и всех живых организмов и еще многое-многое другое – все это рассматривается и объясняется квантово-полевой картиной мира.

Кроме того, развитие квантово-полевой картины мира еще раз продемонстрировало нам важность механической и электромагнитной картин мира, указав на то, что они верно отражали многие объективные свойства окружающего мира, абсолютизируя, однако, отдельные его стороны.