Кудрявцев Павел Степанович Курс истории физики
 Скачать 7.55 Mb.
|
Критика механики Ньютона и геометрии ЕвклидаЭлектродинамика движущихся сред в теории электронов вела ко многим радикальным выводам, прежде всего к крушению представления о неизменных твердых частичках. Твердых тел и неизменных частиц в природе нет, форма и размеры тел и частиц зависят от скорости движения. От скорости тел зависит и масса частиц, которая обусловлена инерциальным свойством окружающего частицу электромагнитного поля. Именно этот новый взгляд на природу массы и заставил говорить об «исчезновении» материи. Все это были, конечно, весьма радикальные изменения в физических воззрениях, ведущие к дальнейшему отходу от привычных представлений, от «явного для нас» ко все более «неявному для нас», новому, непривычному. Но вместе с тем электродинамика и электронная теория оставляли неизменным основное представление классической физики о пространстве и времени. Геометрия оставалась евклидовой, время, как у Ньютона, текло повсюду равномерно, само по себе. И хотя у Лармона, Лоренца, Пуанкаре время преобразовывалось при переходе от одной системы к другой, это преобразование носило чисто формальный характер и ни в малейшей степени не затрагивало основных представлений о пространстве и времени, которые оставались незыблемыми со времен Ньютона.  Как мы только что сказали, ньютоновские представления о пространстве и времени оставались в физике незыблемыми. Но это вовсе не значит, что наука не подвергала критике эти представления. Наоборот, в развитии математических и физических наук были моменты, когда наука сомневалась в истинности «вечных» положений и противопоставляла им новые, коренным образом отличающиеся от них положения. Так было в истории геометрии. Система аксиом и теорем казалась логически такой совершенной и интуитивно такой очевидной, что сомневаться в ее истинности не приходило в голову. Ньютон положил ее в основу своей механики. Его фундаментальное понятие абсолютного, однородного, пустого пространства, являющегося вместилищем всех тел, было евклидовым пространством. Знаменитый немецкий философ Иммануил Кант считал аксиомы геометрии Евклида врожденными. Но в системе Евклида был слабый пункт, так называемый пятый постулат, или аксиома о параллельных. Этот постулат уму математиков представлялся не столь уже очевидным, чтобы его можно было считать «врожденной» истиной. Математики древности и нового времени приложили немало усилий, чтобы «доказать» пятый постулат, но тщательный анализ «доказательства» показал, что вместо евклидового постулата пришлось принять новое, эквивалентное старому, допущение. И вот казанский математик, гениальный русский ученый Николай Иванович Лобачевский (1792–1856) в 1826 г. пришел к смелому выводу, что взамен пятого постулата можно выдвинуть другой, противоположный ему, и тем не менее создать логически непротиворечивую геометрию, отличающуюся от евклидовой. Это была новая, неевклидова геометрия, столь же истинная, как и евклидова, хотя описывающая совершенно новое, неевклидово пространство. Вопрос о том, какая же геометрия более соответствует действительности, как полагал Лобачевский, может быть решен только опытом. Это означало, что геометрические истины не являются врожденными, а приобретаются опытом, имеют только опытное происхождение. Это был очень важный шаг в развитии представлений о пространстве, в развитии самого научного мышления. Английский математик В.Клиффорд назвал Лобачевского «Коперником геометрии», а его научную деятельность оценил как подвиг. Когда наступает время, научная идея рождается в нескольких головах. Современники Лобачевского – венгерский математик Янош Больяй (1802– 1860) и старший их современник, знаменитый математик К ф. Гаусс – пришли к аналогичным идеям. Гаусс, правда, ничего не публиковал по этому вопросу при жизни, опасаясь, как он выражался, «крика беотийцев», т. е. невежественных, но горластых людей, однако он высоко ценил работы Лобачевского и Больяй и писал, что сам пришел к таким же идеям. Большую роль в развитии новых взглядов на пространство сыграл немецкий математик Бернгард Риман (1826–1866), который произнес в 1854 г., т. е. еще при жизни Лобачевского, Гаусса и Больяй, речь «О гипотезах, лежащих в основании геометрии». Риман здесь со всей четкостью подчеркивает, что «предположения геометрии не выводятся из общих свойств протяженных величин и что, напротив, те свойства, которые выделяют пространство из других, мыслимых трижды протяженных величин, могут быть почерпнуты не иначе, как из опыта». Риман рассматривает пространство n измерений и определяет длину элемента линии в этом пространстве выражением:  В случае, если все g(ik) = 0 для i +k, пространство будет плоским, или n -мерным евклидовым пространством. В других случаях пространство будет искривленным и кривизна его определяется коэффициентами g(ik). Если кривизна положительна, то пространство называют римановым сферическим пространством, если отрицательна, то пространство будет псевдосферическим пространством Лобачевского. Итак, к середине XIX столетия математическая мысль пришла от обычного трехмерного евклидового плоского пространства к многомерному искривленному пространству. Наступила очередь критики ньютоновской концепции пространства и времени физиками. Наиболее резкой критике основные понятия механики Ньютона подверглись со стороны австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838– 1916).  Мах был профессором в Праге, когда в 1883 г. появилась его «Механика», носящая подзаголовок «Истоико-критический очерк ее развития». Критикуя концепцию абсолютного времени Ньютона, Мах замечает, что ньютоновское абсолютное время «не может быть измерено никаким движением и поэтому не имеет никакого ни практического, ни научного значения». «...Время, – говорит Мах, – есть абстракция, к которой мы приходим через посредство изменения вещей: .. наши представления о времени получаются вследствие взаимной зависимости вещей». Время у Ньютона отделено от мира, оно существует независимо от вещей, у Маха оно неразрывно связано с вещами. «В наших представлениях времени находит свое выражение самая глубокая и самая общая связь вещей», – пишет Мах. Но эта совершенно правильная мысль у Маха искажается его субъективной идеалистической философией. Оказывается, что к представлению времени мы приходим, как пишет Мах, «через посредство связи содержания поля наших воспоминаний с содержанием поля наших восприятий». И здесь Мах идет назад от Ньютона, у которого время (и пространство) объективно, существует независимо от нас, от наших восприятий и воспоминаний. У Маха идеалистическая философия вступает в противоречие с его материалистическими естественнонаучными представлениями. «Мах и Авенариус совмещают в своей философии основные идеалистические посылки и отдельные материалистические выводы»,( Ленин В ИМатериализмиэмпириокритицизм. – Поли.собр. соч.,т.18, с.59.) – пишет Ленин, показывая эклектичность философии Маха. И далее: «... Мах забывает свою собственную теорию и, начиная говорить о различных вопросах физики, рассуждает попросту, без идеалистических выкрутас, т. е. материалистически».( Ленин В И Материализм иэмпириокритицизм. – Поли. собр. соч., т. 18, с. 59.) физик Мах идет дальше Ньютона, рассматривая пространство и время в тесной связи с реальными вещами и процессами, и он идет назад от Ньютона, когда сводит дело к субъективным переживаниям и ощущениям. Приводя высказывания Ньютона об абсолютном и относительном пространстве, абсолютном и относительном движении, Мах пишет: «Об абсолютном пространстве и абсолютном движении никто ничего сказать не может; это чисто абстрактные вещи, которые на опыте обнаружены быть не могут. Все наши основные принципы механики представляют собой... данные опыта об относительных положениях и движениях тел». Понимая, что механика имеет дело с относительными движениями, Мах в своей книге не уделяет никакого внимания принципу относительности и проходит мимо принципа относительности Галилея. Он говорит, что относительные «движения в мировой системе, и с точки зрения учения Птолемея, и с точки зрения учения Коперника, одни и те же. Оба ученья также одинаково правильны, но последнее только проще и практичнее». Когда позже эту мысль высказывали некоторые ревностные релятивисты, то они забывали упомянуть, что она была высказана задолго до возникновения теории относительности человеком, весьма скептически отзывавшимся об этой теории, – Эрнстом Махом. Мах, выбрасывая абсолютное пространство и абсолютное движение, по-новому смотрит на закон инерции. «Отношение земных тел к земле может быть сведено к их отношению к отдаленным небесным телам. Если бы мы стали утверждать, что мы о движущихся телах знаем больше, чем это данное в опыте отношение их к небесным телам, мы поступили бы нечестно. Поэтому если мы говорим, что тело сохраняет свое направление и скорость в пространстве, то в этом заключается только краткое указание на то, что принимается во внимание весь мир». Эйнштейн позже писал, что «Мах ясно понимал слабые стороны классической механики и был недалек от того, чтобы прийти к общей теории относительности». Но Мах не пришел ни к общей, ни к специальной теории относительности. Он не сумел связать механику с идеями поля, с фактом конечной скорости распространения взаимодействия. Принцип Маха, согласно которому движение тела, в том числе и инерциальное движение, определяется взаимодействием на него всех масс Вселенной, предполагает мгновенное воздействие, т. е. силы дальнодействия. Таким образом, критика Махом ньютоновской механики сыграла роль в формировании взглядов Эйнштейна, как об этом писал сам Эйнштейн в письме к Маху. Позитивного перехода к новой механике Мах не нашел. Ньютоновскую механику попытался подвергнуть ревизии и Герц. В его последнем сочинении «Принципы механики, изложенные в новой связи», вышедшем уже после смерти автора, в 1894 г., он попытался изложить механику, исключая понятие силы. Система механики Герца «исходит» из трех независимых представлений-из представлений времени, пространства и массы. Наряду с обычными, чувственно воспринимаемыми массами Герц вводит скрытые, неощутимые массы. Основной принцип механики Герц формулирует в следующем виде: «Каждое естественное движение самостоятельной материальной системы состоит в том, что система движется с постоянной скоростью по одному из своих прямолинейных путей. Под влиянием связей движение отступает от этого естественного движения, но все действительные движения, по крайней мере, приближаются к этому движению настолько, насколько это возможно». В предисловии к книге Герц писал, что он «очень обязан прекрасной книге о развитии механики Маха». В свою очередь, Мах в предисловии к третьему изданию своей «Механики» в январе 1897 г. писал: «Механика в настоящее время обнаруживает как будто тенденцию вступить в новые отношения к физике, что в особенности обнаруживается в работе Г. Герца». Но ни Маху, ни Герцу не удалось преобразовать механику и поставить ее «в новые отношения к физике». Это удалось сделать лишь Эйнштейну. Эйнштейн. Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 г. в Ульме (Германия) в семье мелкого коммерсанта Германа Эйнштейна. Отец в поисках более обеспеченного и устойчивого существования часто переезжал с семьей из города в город, из страны в страну. Альберт не получил законченного среднего образования и в 16 лет пытался поступить в Высшую техническую школу в Цюрихе (Швейцария) Провалившись на вступительных экзаменах, он поступил в кантональную среднюю школу в швейцарском кантоне Аарау. Окончив эту школу в 1896 г., он поступил в ту же Цюрихскую Высшую политехническую школу на педагогический факультет. Учился Эйнштейн неровно. Он не любил обязательных занятий и экзаменов и предпочитал заниматься тем, что его интересовало. Он получил диплом об окончании школы 2 августа 1900 г. По окончании школы для Эйнштейна наступили трудные дни. Семья, жившая в Италии, не могла больше высылать ему средств, ее положение было не блестящее, к тому же в 1902 г. умер отец. Эйнштейну пришлось думать о заработке. Он пробовал заняться педагогической деятельностью. С мая 1901 г. он несколько месяцев преподавал математику в техникуме города В интертура. В этом же году он опубликовал свою первую работу «Следствия из явлений капиллярности». Потом он проработал несколько месяцев в качестве репетитора и лишь в 1902 г. получил постоянную должность технического инспектора в Швейцарском патентном бюро в Берне. Эту должность он занимал с 23 июня 1902 г. по 15 октября 1909 г. Именно здесь, в Берне, будучи скромным служащим бюро патентов, Эйнштейн стал знаменитым ученым. Первые работы Эйнштейна были , посвящены молекулярной физике и термодинамике. В ходе этих исследований Эйнштейн создал теорию броуновского движения, о существовании которого в то время не знал. Статья по этому вопросу–«Новое определение размеров молекул» – появилась в 1905 г. В этом же году в 17-м томе «Annalen der Physik» появилась статья – «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», посвященная квантовым свойствам света; в том же томе была опубликована еще одна статья – «К электродинамике движущихся сред», –содержащая основы специальной теории относительности. Каждой из этих трех статей было достаточно, чтобы обессмертить имя их автора. В январе 1906 г. Эйнштейн защищает докторскую диссертацию «Новое определение размеров молекул» – первая статья из цикла работ Эйнштейна по броуновскому движению, напечатанных им в 1905-1908 гг. В 1907 г. Эйнштейн создает квантовую теорию теплоемкости. В 1908 г. Эйнштейн был утвержден приват-доцентом Бернского университета. В 1909 г. он был избран экстраординарным профессором Цюрихского университета и расстался с бюро патентов. В апреле 1911 г. Эйнштейн переехал в Прагу профессором теоретической физики. Через год он снова вернулся в Цюрих, на этот раз профессором Высшей технической школы, в которой когда-то учился. Здесь он пробыл до апреля 1914 г., когда после избрания членом Прусской Академии наук в Берлине переехал в Берлин. Здесь он создал общую теорию относительности, произвел совместно с де Гаазом знаменитый опыт по доказательству существования молекулярных токов Ампера (эффект Эйнштейна–де Гааза). В 1922 г. Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия. В 20-е годы началась травля Эйнштейна нацистами. После прихода нацистов к власти Эйнштейн вышел из состава Прусской Академии наук и уехал из Германии. Он принял предложение Принстонского института высших исследований США и с апреля 1933 г. стал членом этого института. Эйнштейну пришлось дожить до трагической реализации выведенного им соотношения между массой и энергией. Именно Эйнштейн в 1939 г. подписал письмо президенту Рузвельту о необходимости форсировать работы по атомной энергии. Эйнштейн тяжело переживал трагедию Хиросимы и Нагасаки. До самой смерти, последовавшей 18 апреля 1955 г., он призывал к миру, к борьбе за предотвращение атомной войны. Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называется «К электродинамике движущихся сред». Название статьи показывает, что она была задумана в русле электродинамики движущихся сред, и вторая часть статьи содержит преобразование уравнений электродинамики Максвелла – Герца для вакуума. Однако основное содержание работы Эйнштейна далеко выходит за рамки электродинамики и содержит новый подход к проблеме пространства и времени. Этим подходом и широкой общей точкой зрения на все, а не только электромагнитные, физические явления статья Эйнштейна существенно отличается от работ Лармора, Лоренца, Пуанкаре и других исследователей по электродинамике движущихся сред. Ближе всего к Эйнштейну подошел Пуанкаре. Однако Пуанкаре был непоследовательным в своих выводах Сформулировав еще в 1902 г. принцип относительности как универсальный закон природы, Пуанкаре полагал вполне возможным отказ от него при наличии новых экспериментальных фактов, опровергающих «постулат относительности». Этим он по существу становился на точку зрения противников теории относительности, жаждавших ее экспериментального опровержения. |