Электромагнитное поле фарадея-Максвелла, электромагнитное взаимодействие и принципы специальной теории относительности - теории пространства-времени Эйнштейна и Минковского

Классическая физика и соответствующее ей классическое естествознание завершились созданием термодинамики. На очереди стояли учения об электричестве и магнетизме, которые, казалось, должны были получить понимание в рамках традиционного классического мировоззрения. Однако этому не суждено было сбыться. Познание тайн электромагнетизма привело к началу нового этапа в физике, во всем естествознании и во всей науке — привело к этапу неклассической рациональности.

Новая рациональность начиналась еще в недрах классической рациональности фактически так. В XVIII веке французом Шарлем Кулоном (1736-1806) был открыт знаменитый закон взаимодействия точечных электрических зарядов — закон Кулона: , где q1, q2 — электрические заряды, r — расстояние между зарядами, k — коэффициент пропорциональности, определяемый выбором единиц измерения величин зарядов и расстояния. Закон Кулона, как видим, фактически совпадает, по виду и форме, с законом всемирного тяготения Ньютона, и это позволяло физикам многие годы думать, что электрическое взаимодействие сводимо к гравитационному тяготению. Но это было кажущееся совпадение. Экспериментальные исследования Гальвани (1737-1798) и Вольта (1745-1827) показали тесную связь электрических, химических (и даже биологических) явлений. Вопрос об отношении электричества и магнетизма оставался запутанным до открытия Эрстеда (1777-1851) в 1820 году, когда он случайно, в ходе лекционного демонстрационного эксперимента, обнаружил влияние, оказываемое электрическим током, пропускаемым по проволоке, на компас, оказавшийся вблизи от проволоки. С 1820 года интенсивной разработкой первой теории электромагнетизма — электродинамики, занялся французский ученый Ампер (1775-1836). Теория Ампера была создана по образу и духу «Начал» Ньютона, что позволило англичанину Джеймсу Максвеллу назвать французского ученого «Ньютоном электричества». Созданная Ампером электродинамика, основанная на представлении о мгновенной передаче электромагнитных взаимодействий (т. е. с бесконечной скоростью), должна быть отнесена к теориям типа теорий дальнодействия.

Однако последовательную, единственно признаваемую и сегодня, теорию электромагнитных явлений удалось построить лишь самому Максвеллу, который отказался от представления о дальнодействии й взял за основу в электромагнетизме идею о поле, выдвинутую впервые великим физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791-1867), который благодаря своим опытам доказал также тождественность различных видов электричества. Установленные Фарадеем законы электролиза доказывали выдающийся факт природы — дискретность электрического заряда. Начиная с 30-х годов XIX столетия, у Фарадея, под влиянием проводимых им экспериментов, начинает формироваться идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля. По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самым важным открытием не только в физике, но во всей классической науке, со времен Ньютона (Эйнштейн тогда еще не подозревал, что электромагнетизм, эксперименты Фарадея и теория Максвелла дали начало новому этапу науки — неклассическому).

Ученым, который осознал глубину и оригинальность представлений Фарадея о поле на примере электромагнитного поля, стал именно Джеймс Максвелл (1831-1867). В 1865 году Максвелл опубликовал свою основополагающую работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой он вывел математические уравнения теории поля — уравнения Максвелла. Одним из самых поразительных выводов электромагнитной теории Максвелла было указание на возможность распространения электромагнитных волн со скоростью света. Вывод Максвелла о том, что свет — электромагнитные волны, по праву считается вершиной его исследований в области электромагнетизма. Электромагнитная теория волн и поля позволяет наилучшим образом объяснить все явления, связанные со светом.

Специальная теория относительности. Есть одно замечательное явление в природе, которое сопровождает человека практически непрерывно да и, вероятно, обуславливает существование самого человека — это свет. Важное место в проблеме света занимал вопрос о его скорости, который не смогли прояснить ученые ни в античные, ни в средние века. Но вот Авиценна, например, полагал, что эта скорость хотя и весьма велика, но ограничена. Первую известную, но безуспешную попытку измерения скорости света сделал еще великий Галилей. Первое же успешное измерение скорости распространения света было проведено датским астрономом О. Ремером в 1676 году, использовавшим для этого экспериментальный факт запаздывания затмений спутников Юпитера, которое он объяснял конечностью скорости распространения света. В XIX веке некоторые физики развивали теорию эфира с целью объяснения природы распространения света в пространстве. Одновременно с этим проводились эксперименты по все более точному определению скорости света. В 1881 году американский ученый Альберт Майкелъсон (1852-1931) вместе с помощником Мор-ли, с помощью сконструированного ими интерферометра, определили скорость света с точностью до восьмого знака (т. е. с точностью до нескольких м/с, и это-то при величине скорости света около 300 000 тыс. км/с). У Майкельсо-на была определенная цель: подтвердить существование постулированного еще в античные времена эфира и обнаружить «эфирный ветер», следствием которого было бы различие в скорости света в разных направлениях по отношению к скорости движения Земли по околосолнечной орбите. Результат оказался отрицательным, под таким названием он известен в науке — отрицательный результат опыта Майкелъсона.

Из опытов Майкельсона следовало, что для света не выполняется принцип сложения скоростей классической механики (вот это и есть первое противоречие канонам классической физики, в XX столетии их, этих противоречий, последует еще несколько), скорость света не зависит от скорости движения источника света. Например, согласно классической механике, скорость света от звезды, измеряемая по ходу движения Земли, должна быть 300030 км/с, а всегда получается 300000 км/с. Т. е. «с» плюс или минус «v», все равно получим «с»!

Разрешить эту, на первый взгляд, неразрешимую проблему смог в 1905 году великий немецкий физик Альберт Эйнштейн, создавший для этого специальную теорию относительности (СТО) или так называемую релятивистскую механику, заменившую для быстрых, околосветовых скоростей классическую механику. В основу новой теории движения и пространства-времени Эйнштейном были положены два постулата:

1. Релятивистский принцип относительности — в любых инерциальных системах все физические процессы — механические, оптические, электрические и другие — протекают одинаково, или, в формулировке русского советского физика Владимира Фока, явления природы не зависят от неускоренного движения.

2. Принцип постоянства скорости света — скорость света в вакууме не зависит от скоростей движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах отсчета. Иногда этот принцип интерпретируют как принцип существования предельной скорости распространения (например, В. Фок).

Позднее, в 1908 г., в теорию Эйнштейна внедрилась идея немецкого математика, выходца из России, Германа Минковского о том, что весь наш мир представляет собой четырехмерный пространственно-временной континуум событий. Иначе, такой континуум следует понимать как сплошное четырехмерное пространство-время мировых точек событий, в геометрическом представлении (описании) которого три измерения (размерности) ответственны за пространство и одно измерение (размерность) — за время. При таком выборе описания мировых событий частице, любому объекту соответствует так называемая мировая линия. Точки этой линии определяют координаты частицы во все моменты времени. Так, например, равномерно и прямолинейно движущейся материальной частице соответствует прямая мировая линия. Среди основных следствий СТО можно выделить такие:

а) продольные размеры движущегося тела всегда меньше размеров покоящегося;

б) движущиеся часы идут медленнее покоящихся часов (время замедляется);

в) события, одновременные в одной системе отсчета, никогда не будут одновременными в какой-либо другой системе;

г) одновременность — понятие относительное (имен но анализ понятия одновременности привел Эйнштейна к созданию СТО);

д) масса движущегося тела всегда больше массы покоящегося тела.

Новый вид и новую сущность приобретает теорема сложения скоростей V₁ и V₂; если в ньютоновой механике ее вид был V = V₁ + V₂, то в эйнштейновой он таков:

Видно, что если подставить в эту формулу самые предельные скорости с, то V будет равно с! Во всех остальных случаях

Таким образом, в этой новой теории пространства и времени утрачивают свою физическую абсолютность: традиционное евклидово (пифагорейское) расстояние, ньютоново время, ньютонова масса, ее импульс, энергия (но законы сохранения этих величин не нарушаются!). Большинство отмеченных физических характеристик объектов оказываются чувствительны к отношению скорости их движения v к скорости света с — отношению v/c, так что все наблюдаемые и регистрируемые новые эффекты, называемые релятивистскими, возникают при приближении этого отношения к 1. Оказалось, что ничто материальное, т. е имеющее массу, не может достичь скорости света! В эйнштейновой релятивистской механике появилась самая знаменитая формула в мире, кстати, высеченная на надгробии Альберту Эйнштейну в Принстоне. Это формула для энергии массы т, известная практически всякому грамотному человеку, а именно, Е = тс2. Это вовсе не энергия движения массы т, поскольку, повторим, никакая масса не может достичь скорости света с, это некая запасенная энергия этой массой, характеризующая ее потенциальные энергетические возможности. При определенных условиях эта энергия вся, без остатка, может превратиться в энергию излучения либо кванта электромагнитного поля Е = hn, либо кванта какого-то другого поля (см. п. 4.4). Такие возможности возникают при реакции аннигиляции любых частиц и античастиц, например, при лобовом столкновении электрона и позитрона.

Рассмотренная эйнштейнова формула энергии парадоксальна (или противоречива) тем, что масса т в ней умножается на квадрат скорости света с, скорости, которой она сама никогда достичь не может! Поскольку скорость света есть предельная, универсальная скорость в мировом пространстве (во Вселенной), то очевидно, что и сама масса есть проявление (следствие) универсальных свойств мирового пространства и времени, так что ни масса, ни пространство, ни время не отделимы одно от другого и третьего, ни от одной из своих трехгранных сущностей. Их объединяющая фундаментальная взаимосвязь, их своеобразное родство, единство их общей природы качественно проявляется уже в СТО, что, кстати, до нас не отметил пока никто из интерпретаторов СТО. Эйнштейн доказал их физическую взаимосвязь математически, т. е. количественно, в общей теории относительности. Концептуальные положения этой теории будут рассмотрены подробно в п. 4.2, а ее космологические и космогонические следствия и структура Вселенной — в главе 6.

Основной, фундаментальный смысл СТО (как его определяет отечественный академик Анатолий Логунов) состоит в том, что все явления (физические, химические, биологические и пр.) протекают в четырехмерном пространстве-времени, геометрия которого псевдоевклидова. Псевдоевклидовой принято часто называть геометрию Минковского, в которой квадрат расстояния между двумя мировыми точками (он называется интервал) на какой-либо плоскости, например, с координатами ct и х, определяется не суммой их квадратов, как в геометрии Евклида, а их разностью. В дополнение существующих неевклидовых геометрий Лобачевского и Римана (о них читайте в п. 4.2), геометрия Минковского стала еще одной, вновь созданной человеческим гением геометрией, которую физики стали использовать для познания явлений; и структуры природы.

Ценность и фундаментальность специальной теории относительности заключается в неограниченно глубоком влиянии СТО на физическое мировоззрение. В дальнейшем приведенные в соответствие со специальной теорией относительности физические теории стали называться релятивистскими. Например, есть классическая механика движущихся и покоящихся тел, и есть релятивистская механика этих тел, нерелятивистская и релятивистская квантовая механика и т. д.

Резюме

Специальная теория относительности Эйнштейна внесла революционные изменения в ряд фундаментальных понятий прежней классической физики: пространства, времени, размера (протяженности) тел, массы. Оказалось, что время не является абсолютной величиной, оно зависит от системы отсчета, более того, пространственные координаты неразрывно связаны со временем, образуя пространственно-временное многообразие. Как показал Минковский, геометрия этого пространства-времени очень похожа на евклидову, но, в силу различия знаков перед квадратами пространственных координат и времени в выражении — аналоге теоремы Пифагора, эта геометрия называется неевклидовой. Продольные размеры движущегося тела всегда меньше покоящегося. Движущиеся часы идут медленнее покоящихся часов. События, одновременные в одной системе отсчета, никогда не будут одновременными в любой другой системе. Одновременность — понятие относительное. Масса движущегося тела всегда больше массы покоя.