Физика как определенная механика в сложных пространствах.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒

В науке развитие представлений об относительном характере процессов в природе имеет свою весьма продолжительную историю. Во времена Аристотеля движение рассматривалось относительно покоящейся Земли. Эти аристотелевско-птолемеевские воззрения господствовали в течение почти двух тысячелетий. Одним из первых эти воззрения подверг критике Николай Кузанский в XV веке. Он указал на кинематическую относительность движения и покоя.

Следующим обратил внимание на относительные эффекты при движении Н.Коперник.

Много внимания изучению движения уделял Г.Галилей. Анализируя движения различных тел, от брошенного камня до планет, он обнаружил независимость механических явлений от прямолинейного и равномерного движения систем отсчета и впервые выразил эту независимость в форме принципа.

При создании своей механики И.Ньютон выделяет и фиксирует сложную внутреннюю структуру пространства и времени. В его теории сосуществуют два типа пространства и времени: с одной стороны, абсолютные пространства и время, с другой - относительные. В ньютоновской механике в инерциальных системах отсчета покой и равномерное прямолинейное движение становятся относительными, тогда как ускорение относительно абсолютного пространства имеет абсолютное значение. Вследствие этого в механике Ньютона существует неравноправие физического порядка между относительными скоростями тел и абсолютным характером ускорений и сил, вызывающих движения этих тел.

В XVIII веке Ж.Даламбер формально записал уравнения Ньютона для ускоренной системы отсчета, приравняв тем самым силы инерции всем остальным силам. С точки зрения механики Даламбера всегда можно найти такую ускоренную систему отсчета, в которой внешние по отношению к данному телу ньютоновские силы и силы инерции уравновешиваются, т.е. полное ускорение системы становится равным нулю. Важно подчеркнуть, что Даламбер впервые показал, что выбором системы отсчета можно “занулить” ускорение системы тел. Таким образом, в даламберовской механике полное ускорение оказывается относительной величиной. В дальнейшем различные аспекты относительного характера движения получили глубокое развитие в работах Э.Маха, Г.Герца, А.Эйнштейна.

“Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает сомнения в том, что пока корабль стоит неподвижно все должно происходить именно так. Заставьте корабль теперь двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно”(Галилей, 1632)

Методологическое значение исторического развития принципа относительности для прогресса фундаментального физического знания, можно определить следующим образом. Когнитивное движение принципа относительности, уже прошло через определенное количество, N, качественно определенных узлов раскрытия нового содержания этого принципа, и сопровождается появлением в этих узлах фундаментальных физических теорий. В настоящее время N равно, по крайней мере, трем. Важно отметить, что каждому такому когнитивному узлу развертывания содержания принципа относительности соответствует новая фундаментальная физическая теория. В то же время следует отметить, что взаимно-однозначного соответствия здесь нет: в настоящее время не каждой фундаментальной теории соответствует новое содержание принципа относительности. Примерами этого положения могут быть, например, квантовая механика и статистическая физика, для которых не существует специфической формулировки принципа относительности.

Принцип относительности и фундаментальные физические теории. Рассмотрим ступени восхождения ПО и соотношения “принцип относительности - фундаментальная физическая теория” в их последовательном эволюционном становлении. Для наглядности представим это в виде схемы (Рис.1).

® ® ® ® ® ®

¯ ¯ ¯ ¯

® ® ® ® ®

¯ ¯ ¯ ¯

® ® ® ® ® ® ®

Рис. 1

Принцип относительности Галилея стал определяющим основоположением классической механики Ньютона. Следующая ступень эволюционного восхождения принципа относительности в физическом познании связана с разработкой Лоренцем, Пуанкаре и Эйнштейном специального принципа относительности в электродинамике. Физико-теоретическая реализация этого принципа относительности также выразилась в создании новой фундаментальной теории - специальной теории относительности (СТО). Третий этап связан с формулировкой Эйнштейном общего принципа относительности и построением общей теории относительности (ОТО).

Таким образом, ясно прослеживается определенная закономерность развития физического познания. Ее можно выразить следующим образом: осознание нового физического содержания принципа относительности приводит к появлению новой фундаментальной физической теории.

Развитие фундаментальной физики есть последовательное развитие принципа относительности.

Принцип относительности имеет несколько смысловых значений. Во-первых, самим Галилеем он понимался как принцип сохранения физических процессов по отношению к различным образом движущихся или покоящихся системам отсчета. Существует точка зрения, что «формулировка принципа относительности явилась лишь логическим результатом его взгляда на неограниченность мира».

В современной физике интерпретация принципа относительности сводится к следующему: физические законы сохраняют свой вид относительно определенным образом движущихся систем отсчета. Такая интерпретация связана с ковариантностью законов физики. Однако фактическое содержание этого принципа богаче. История фундаментальной физики показала, что реализация каждого обобщения ПО всегда была также связана с релятивизацией физических величин.

В этом контексте прогресс в развитии фундаментальных теорий, основанных на соответствующих принципах относительности, также связан с переходом от физических величин, считавшихся абсолютными в одних системах отсчета, к относительности этих же величин в качественно иных системах отсчета или, другими словами, по отношению к другим формам (механического) движения. Предложенная интерпретация следует представлениям об относительном характере любых физических величин и понятий. В ней реализуется стремление на теоретическом уровне наделить элементы физического знания относительным характером. С этой точки зрения полная реализация этого принципа требует придания относительного характера всем физическим величинам (понятиям), процессам, событиям и видам движения.

Эйнштейн подчеркивал, что возникновение новой теории относительности не является следствием умозрительного абстрактного конструирования, а вытекает из требования соответствия теории опыту (и, следовательно, действительности): “С гносеологической точки зрения для теории относительности характерно следующее. В физике не существует понятия, применение которого было бы априори необходимым или обоснованным. То или иное понятие приобретает право на существование лишь в том случае, если оно поставлено в ясную и однозначную взаимосвязь с событиями и физическими экспериментами... Для каждого физического понятия должно быть дано такое определение, чтобы в любом конкретном случае на основе этого определения можно было бы в принципе сказать, соответствует ли это понятие действительности или нет».

Однако ОПО и, соответственно, ОТО распространяется только на прямолинейно и равномерно ускоренные системы отсчета. Это отмечал и сам Эйнштейн: «… в равномерно-ускоренной относительно «инерциальной системы» системе координат движение происходит так же, как оно бы происходило в однородном гравитационном поле относительно «покоящейся» системы координат».

В общем принципе относительности и, соответственно, в общей теории относительности инвариантность законов рассматривается не относительно произвольным образом ускоренных систем отсчета, а лишь относительно равномерно и прямолинейно ускоренного их движения. Вращение в общей теории относительности остается, фактически, абсолютной величиной.

Эйнштейн, признавая успехи квантовой механики, не принимал ее концептуально-физическую трактовку. «Нет сомнения, что в квантовой механике имеется значительный элемент истины и что она станет пробным камнем для любой будущей теоретической основы, из которой она должна будет быть выведена как частный случай… Однако я не думаю, что квантовая механика является исходной точкой поисков этой основы. … Учитывая такое положение, кажется вполне оправданным серьезное рассмотрение вопроса о том, нельзя ли каким-нибудь образом привести в соответствие основу физики поля с данными квантовой теории? ».

Возможно ли и в КМ сформулировать специфический для нее принцип относительности? До сих пор этот вопрос не получил окончательного и однозначного решения.

В тридцатых годах двадцатого столетия Дираку удалось осуществить синтез КМ и СТО. В результате появилась новая фундаментальная теория - релятивистская квантовая механика или квантовая теория поля. Однако в этой теории не появилось нового принципа относительности, а содержание уже имеющихся существенно не изменилось.

В 50-х годах прошлого века В.А.Фок сформулировал своеобразный принцип относительности к средствам наблюдения. Согласно этому подходу «под классическим описанием можно разуметь описание, безотносительное к средствам наблюдения (если не считать учета их движения)». «… в квантовой физике необходимо учитывать не только механическое движение средств наблюдения, но в какой-то схематизированной форме, и их внутреннее устройство». «не только точность в количественном смысле, но и качественная формулировка новых свойств микрообъектов требует новых методов описания и, прежде, всего, необходимо внести в их описание новый элемент относительности – относительность к средствам наблюдения».

Одновременно происходят 2 процесса эволюции классов физических теорий: класс теорий относительности (при обобщении ПО) и процесс релятивизации абсолютных физических величин.

Достижение нового содержательного уровня понимания принципа относительности каждый раз сопровождалось появлением новой фундаментальной механики[1]. В этот механико-релятивистский класс физических теорий, основанием которых является принцип относительности, и входят рассмотренные выше фундаментальные теории: классическая механика Ньютона, специальная теория относительности, общая теория относительности. По существу, каждая из этих теорий является новой механикой со все более усложняющимися представлениями о механическом перемещении в пространстве.

фундаментальные теории можно рассматривать как качественно различные формы механики. Каждая из них связана с введением и новым пониманием свойств физического движения как перемещения в пространстве. При этом движение в пространстве характеризуется различными классами характеристик: материальными носителями движения (вещество, электромагнитное и гравитационное поля), характером движения (равномерное, прямолинейное, ускоренное) и т.д.

Существенно, что все эти подходы сводят специфику электромагнитных процессов, в конечном счете, к перемещению в особого рода пространственно-временном многообразии. Поэтому в отношении возможного возрождения механицизма с учетом всего вышеизложенного следует сказать, что окончательно отвергнутыми можно считать только некоторые исторически конкретные подходы, например, попытки свести всю физику к механике ньютоновских перемещений в евклидовом пространстве. Вместе с тем представления о механических перемещениях постоянно углубляются и усложняются. Поэтому можно выделить еще одну, достаточно четко просматриваемую тенденцию, пронизывающую всю историю развития физики: стремление свести различного рода физические процессы к качественно своеобразным типам перемещений в пространствах все более сложной природы. Выяснение природы этих пространств, природы физической геометрии и топологии представляет собой важнейшую задачу философии физики.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒