Реферат: Философские аспекты теории относительности

Реферат

по философии

.

1. Общие положения теории относительности

Чтобы увидеть значение теории относительности Эйнштейна для

эволюциифизической мысли, следует прежде всегоостановиться на

самых общих понятиях относительности положения и движения тел и

однородностипространства и времени. В теории Эйншиейна фигуриру-

ет однородность иизотропность пространства-времени.

Представим себе материальную частицу,затерянную в бесконеч-

ном,абсолютно пустом пространстве. Что в этом случае означают

слова«пространственное положение» частицы? Соответствует ли этим

словам какое-либореальное свойство частицы?

Если бы в пространстве существовали другиетела, мы могли бы

определитьпо отношению к ним положение даннойчастицы, но если

пространствопусто, положение данной частицыоказывается бессо-

держательнымпонятием. Пространственное положениеимеет физичес-

кий смысл тольков том случае, когда в пространстве имеютсяиные

тела, служащиетелами отсчета. Если брать в качестветел отсчета

разные тела, мыпридем к различным определениям пространственного

положения даннойчастицы. С любым телом мы можем связатьнекото-

рую системуотсчета, например систему прямоугольных координат.

Такие системыравноправны: в какой бы системе отсчета мы ни опре-

деляли положениеточек, из которых состоит данное тело, размеры и

форма тела будут одними и теми же, и, измеряя расстояния между

точками, мы ненайдем критерия, чтобы отличить однусистему отс-

чета от другой.Мы можем поместить начало координат в любой точке

пространства, мыможем затем перенести это начало в любую другую

точку, либо повернуть оси, либо сделать и то и другое — форма и

размеры тела притаком переносе и повороте не изменятся, так как

не изменитсярасстояние между любыми двумя фиксированными точками

этого тела. Неизменность этого расстояния при переходеот одной

системыотсчета к другой называют 1инвариантностью 0 по отношению к

указанномупереходу. Мы говорим, что расстояния между точками те-

лаявляются 1 инвариантами 0 при переходе от одной прямоугольной сис-

темы координатдругой, с иным началом и инымнаправлением осей.

Расстояниямежду точками тела служат инвариантами таких коорди-

натныхпреобразований. В инвариантностирасстояний между точками

относительнопереноса начала координат выражается однородность

пространства,равноправность всех его точек относительно начала

координат.

Если точки пространства равноправны, то мы не можем опреде-

литьпространственное положение тела абсолютным образом, мы не

можем найтипривилегированную систему отсчета. Когда мы говорим о

положениитела, т.е. о координатах его точек, тонеобходимо ука-

зывать системуотсчета. «Пространственное положение» в этом смыс-

ле являетсяотносительным понятием — совокупностью величин, кото-

рые меняются припереходе от одной системы координат к другой

системе, вотличие от расстояний между точками, которые не меня-

ются приуказанном переходе.

Однородность пространства выражается,далее, в том, что сво-

бодное тело, переходя из одного места в другое, сохраняетодну и

ту же скорость и соответственно сохраняетприобретенный им им-

пульс. Каждоеизменение скорости и, соответственно,импульса, мы

объясняем нетем, что тело передвинулось впространстве, а взаи-

модействиемтел. Изменение импульса данного теламы относим за

счет некоторогосилового поля, в котором оказалосьрассматривае-

мое тело.

Нам известна также однородность времени. Онавыражается в

сохраненииэнергии. Если с течением времени неменяется воздейс-

твие,испытываемое данным телом со стороны других тел, иными сло-

вами, если иныетела действуют неизменным образом на данное тело,

то энергия егосохраняется. Мы относим изменениеэнергии тела за

счет изменения вовремени действующих на него сил, а неза счет

самого времени.Время само по себе не меняет энергии системы, и в

этом смысле всемгновения равноправны. Мы не можем найтиво вре-

менипривилегированного мгновения, также как не можем найти в

пространстветочку, отличающуюся от других точек по поведению по-

павшей в этуточку частицы. Поскольку все мгновенияравноправны,

мы можемотсчитывать время от любого мгновения, объявив его на-

чальным.Рассматривая течение событий, мы убеждаемся, что они

протекаютнеизменным образом, независимо от выбора начального мо-

мента, началаотсчета времени.

Мы могли бы сказать, что время относительно в том смысле,

что при переходе от одного начала отсчета времени кдругому опи-

сание событийостается справедливым и не требует пересмотра. Од-

нако обычно под относительностью времени понимают нечтоиное. В

простом иочевидном смысле независимости течения событий от выбо-

раначального момента относительность времени не могла бы стать

основой новойтеории, совсем не очевидной, опрокидывающей обычное

представление овремени.

Под относительностью времени мы будем понимать зависимость

течения времениот выбора пространственной системы отсчета. Соот-

ветственноабсолютным временем называется время, независящее от

выборапространственной системы координат, протекающее единооб-

разно на всехдвижущихся одна относительно другой системах отсче-

та, - последовательность моментов, наступающих одновременно во

всех точках пространства. В классической физике существовало

представлениео потоке времени, который не зависит отреальных

движений тела, — о времени, которое течет во всей Вселенной с од-

ной и той жебыстротой. Какой реальный процесс лежит в основе по-

добногопредставления об абсолютном времени, омгновении, однов-

ременнонаступающем в отдаленных пунктах пространства?

Вспомним условия отождествления времени в разных точках

пространства.

Время события, происшедшего в точке а 41 0, и время события,

происшелшего вточке а 42 0 можно отождествить, если события связаны

мгновеннымвоздействием одного события на другое. Пусть в точке

а 41 0находится твердое тело, соединенноеабсолютно жестким, совер-

шеннонедеформирующимся стержнем с телом, находящимся в точке а 42 0.

Толчок,полученный телом в точке а 41 0, мгновенно, с бесконечной

скоростью,передается через стержень телу в точке 4 0а 42 0. Оба тела

сдвинутся в однои то же мгновение. Но все дело в том, что в при-

роде нетабсолютно жестких стержней, нетмгновенных действий од-

ного тела на другое. Взаимодействия тел передаются с конечной

скоростью,никогда не превышающей скорости света. В стержне, сое-

диняющем тела,при толчке возникает деформация, которая распрост-

раняется сконечной скоростью от одного конца стержня к другому,

подобнотому, как световой сигнал идет с конечной скоростью от

источника света кэкрану. В природе нет мгновенных физических

процессов,соединяющих события, происшедшие в удаленных один от

другого пунктахпространства. Понятие «один и тотже момент вре-

мени" имеетабсолютный смысл, пока мы не сталкиваемся с медленны-

ми движениями тели можем приписать бесконечную скорость светово-

му сигналу,толчку, переданному через твердый стержень или любому

другомувзаимодействию движущихся тел. В миребыстрых движений,

присравнении с которыми распространению света ивзаимодействию

между телами уженельзя приписывать бесконечно большую скорость,

- в этом мире понятие одновременности имеетотносительный смысл,

и мы должныотказаться от привычного образа единого времени, те-

кущего во всей Вселенной, — последовательностиодних и тех же,

одновременных,моментов в различных пунктах пространства.

Классическая физика исходит из подобногообраза. Она допус-

кает, что одно ито же мгновенно наступает повсюду — на Земле, на

Солнце, наСириусе, на внегалактических туманностях, отстоящих от

нас так далеко,что их свет идет к нам миллиарды лет.

Если бы взаимодействия тел (например силытяготения, связы-

вающие все телаприроды) распространялись мгновенно, сбесконеч-

нойскоростью, мы могли бы говорить осовпадении момента, когда

одно телоначинает воздействовать на другое, и момента, когда

второе тело, удаленное от первого, испытывает этовоздействие.

Назовемвоздействие тела на удаленное от него другое тело сигна-

лом.Мгновенная передача сигнала — основа отождествления момен-

тов, наступившихв отдаленных пунктах пространства. Такое отож-

дествлениеможно представить в виде синхронизациичасов. Задача

состоит втом, чтобы часы в в точкеа 41 0 и в точке а 42 0 показывали

одно и то жевремя. Если существуют мгновенные сигналы, эта зада-

ча не составляеттруда. Часы можно было бы синхронизировать по

радио,световым сигналом, выстрелом из пушки, механическим им-

пульсом(посадить, например, стрелки часов в а 41 0 и ва 42 0 на один

длинный абсолютножесткий вал), если бы радиоприемник, свет, звук

и механическиенапряжения в вале передавались с бесконечно боль-

шойскоростью. В этом случае мы могли быговорить о чисто прост-

ранственныхсвязях в природе, о процессах,протекающих в нулевой

промежутоквремени. Соответственно трехмернаягеометрия имела бы

реальныефизические прообразы. Пространство вэтом случае мы бы

моглирассматривать вне времени, и такой взгляд давал бы точное

представление одействительности. Временные мгновенные сигналы

служатпрямым физическим эквивалентом трехмерной геометрии. Мы

видим, чтотрехмерная геометрия находит прямой прообраз в класси-

ческоймеханике, которая включает представление о бесконечной

скоростисигналов, о мгновенном распространении взаимодействий

междуотдаленными телами. Классическая механика допускает, что

существуютреальные физические процессы, которые могут быть с аб-

солютнойточностью описаны мгновенной фотографией. Мгновенная фо-

тография,разумеется стереоскопическая — это как бы трехмерное

пространственноесечение пространственно-временного мира, это че-

тырехмерный мирсобытий, взятый в один и тот же момент. Бесконеч-

но быстроевзаимодействие — процесс, который можетбыть описан в

пределах мгновеннойвременной картины мира.

Но теория поля как реальной физическойсреды исключает мгно-

венное ньютоноводальнодействие и мгновенное распространение сиг-

налов черезпромежуточную среду. Не только звук, но и свет, и ра-

диосигналы имеютконечную скорость. Скорость света - предельная

скоростьсигналов.

Каков же в этом случае физический смыслодновременности? Что

соответствуетпоследовательности одних и тех же длявсей Вселен-

ной моментов? Чтосоответствует понятию единого времени, единооб-

разнопротекающего во всем мире?

Мы можем найти некоторый физическийсмысл понятия одновре-

менности и такимобразом придать самостоятельную реальность чисто

пространственномуаспекту бытия, с одной стороны, и абсолютному

времени — сдругой, даже в том случае, когда все взаимодействия

распространяютсяс конечной скоростью. Но условием для этого слу-

житсуществование неподвижного в целом мирового эфира и возмож-

ность определитьскорости движущихся тел абсолютным образом, от-

нося их к эфирукак единому привилегированному телу отсчета.

Представим себе корабль с экранами наносу и на корме. в

центре корабля на равных расстояниях от обоихэкранов зажигают

фонарь. Светфонаря одновременно достигает экранов, имгновения,

когда это происходит можно отождествить. Свет падаетна экран,

находящийся наносу корабля в то же самое мгновение, что и на эк-

ран, находящийсяна корме. Таким образом, мы находим физический

прообразодновременности.

Синхронизация с помощью световых сигналов,одновременно при-

бывающих в двапункта из источника, расположенного на равном

расстоянии отних, возможна, если источник света иуказанные два

пункта покоятся вмировом эфире, т.е. когда корабль неподвижен по

отношению кэфиру. Синхронизация возможна и в томслучае, когда

корабль движетсяв эфире. В указанном случае свет дойдет до экра-

на на носукорабля немного позже, а до экрана накорме — немного

раньше. Но, зная скорость корабля относительноэфира, мы можем

определитьопережение луча, идущего к экрану накорме и запазды-

вание луча, идущего к экрану на носу, и, учитываяуказанные опе-

режение изапаздывание, синхронизироватьчасы, установленные на

корме и на носукорабля. Мы можем, далее, синхронизировать часы

на двухкораблях, движущихся относительно эфирас различными, но

постоянными,известными нам скоростями. Но для этоготакже необ-

ходимо,чтобы скорость кораблей относительноэфира имела опреде-

ленный смысл иопределенное значение.

Здесь возможны два случая. Если корабль при движениипол-

ностью увлекаетза собой эфир, находящийся между фонареми экра-

нами, то непроизойдет запаздывания луча, идущего к экрану на но-

су корабля. При полном увлечении эфира, корабль не смещаетсяот-

носительноэфира, находящегося над его палубой, аскорость света

относительнокорабля не будет зависеть от движения корабля. Тем

не менее, мы сможем зарегистрироватьзарегистрировать движение

корабля с помощьюоптических эффектов. По отношению к кораблю

скорость света неизменится, но она изменится по отношениюк бе-

регу. Пустькорабль движется вдоль набережной: на набережной -

два экрана 4 0а 41 0 и а 42 0, причем расстояние между ними равнорасстоянию

между экранами накорабле. Когда экраны на движущемся корабле

оказались противэкранов на набережной, в центре кораблязажига-

ется фонарь. Если корабль увлекает за собой эфир, то светфонаря

дойдетодновременно до экрана на корме и до экрана на носу, но в

этом случае светдойдет в различные моменты до экранов на непод-

вижнойнабережной. В одном направлении скоростьдвижения корабля

относительнонабережной будет прибавляться к скорости света, а в

другомнаправлении скорость движения кораблянужно будет вычесть

из скоростисвета. Такой результат — различные скорости света от-

носительно берега- получится, если корабль увлекаетэфир. Если

же корабль неувлекает эфир, то свет будет двигатьсяс одной и

той же скоростью относительно берега и с различнойскоростью от-

носительнокорабля. Таким образом, изменениескорости света ока-

жется результатомдвижения корабля в обоих случаях. Есликорабль

движется, увлекаяэфир, то меняется скорость относительно берега;

если же корабльне увлекает эфир, то меняется скоростьсвета от-

носительно самогокорабля.

В середине XIX века техника оптическихэкспериментов и изме-

ренийпозволила уловить очень небольшиеразличия в скорости све-

та. Оказалосьвозможным проверить, увлекают движущиеся тела эфир,

или неувлекают. В 1851 г. Физо (1819 — 1896) доказал6 что тела

не увлекаютполностью эфир. Скорость света, отнесенная к непод-

вижнымтелам, не меняется, когда свет проходит через движущиеся

среды. Физопропускал луч света через неподвижную трубку, по ко-

торой теклавода. По существу вода играла ролькорабля, а трубка

- неподвижногоберега. Результат опыта Физо привел к картине дви-

жения тел внеподвижном эфире без увлечения эфира. Скорость этого

движения можноопределить по запаздыванию луча, догоняющего тело

(например, лучанаправленного к экрану на носу движущегося кораб-

ля), по сравнениюс лучом, идущим навстречу телу (например, по

сравнению с лучом фонаря, направленным к экрану на корме). Тем

самым можнобыло, как казалось тогда, отличить тело,неподвижное

относительноэфира, от тела, движущегося в эфире. В первом ско-

рость света однаи та же во всех направлениях, во втором на меня-

ется в зависимости от направления луча. Существует абсолютное

различие между покоеми движением, они отличаются друг от друга

характеромоптических процессов в покоющихся и движущихся средах.

Подобная точка зрения позволяла говорить об абсолютной од-

новременностисобытий и о возможности абсолютной синхронизации

часов. Световыесигналы достигают точек, расположенных на одном и

том же расстоянииот неподвижного источника, в одно и то же мгно-

вение. Если жеисточник света и экраны движутся относительно эфи-

ра, то мы можемопределить и учесть запаздывание светового сигна-

ла, вызванноеэтим движением, и считать одним и тем же мгновением

1) моментпопадания света на передний экран с поправкой на запаз-

дывание и 2) момент попадания света на задний экран с поправкой

наопережение. Различие в скоростираспространения света будет

свидетельствоватьо движении источника света и экранов по отноше-

нию к эфиру — абсолютному телу отсчета.

Эксперимент, который должен был показать изменение скорости

света вдвижущихся телах и соответственно абсолютных характер

движенияэтих тел, был выполнен в 1881 г. Майкельсоном (1852 -

1931). Впоследствии его не раз повторяли. Посуществу, экспери-

мент Майкельсонасоответствовал сравнению скорости сигналов, иду-

щих к экранам накорме и на носу движущегося корабля, но в ка-

честве кораблябыла использована сама Земля, движущаясяв прост-

ранстве соскоростью около 30 км/сек. Далее, сравнивали не ско-

рость луча, догоняющего тело и луча, идущего навстречу телу, а

скоростьраспространения света в продольном и поперечном направ-

лениях. Винструменте, примененном в опыте Майкельсона, так назы-

ваемоминтерферометре, один луч шел по направлению движения Земли

- в продольномплече интерферометра, а другой луч — впоперечном

плече. Различие вскоростях этих лучей должно было продемонстри-

роватьзависимость скорости света в приборе от движения Земли.

Результаты эксперимента Майкельсонаоказались отрицательны-

ми. Наповерхности Земли свет движется с одной и той же скоростью

во всех направлениях.

Такой вывод казался крайне парадоксальным. Он должен был

привести кпринципиальному отказу от классического правила сложе-

нияскоростей. Скорость света одна и та жево всех телах, движу-

щихся поотношению друг к другу равномерно и прямолинейно. Свет

проходит с неизменной скоростью, приблизительно равной 300000

км/сек., мимонеподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу

свету, мимо тела,которое свет догоняет. Свет — это путник, кото-

рый идет пополотну железной дороги, между путями, содной и той

же скоростьюотносительно встречного поезда, относительно поезда,

идущего в том женаправлении, относительно самогополотна, отно-

сительнопролетающего над ним самолета и т.д., или пассажир, ко-

торый движется повагону мчащегося поезда с одной и той же ско-

ростьюотносительно вагона и относительно Земли.

Чтобы отказаться от классическихпринципов, казавшихся со-

вершенноочевидными и непререкаемыми, понадобилась гениальная си-

ла и смелостьфизической мысли. Непосредственныепредшественники

Эйнштейнаподошли очень близко к теорииотносительности, но они

не могли сделатьрешающего шага, не могли допустить, чтосвет не

кажущимсяобразом, а в действительностираспространяется с одной

и той жескоростью относительно тел, которыесмещаются одно от-

носительно кдругому.

Лоренц (1853-1928) выдвинул теорию, сохраняющую неподвижный

эфир и классическое правило сложения скоростей и вместе с тем

совместимую срезультатами опытов Майкельсона. Лоренц предполо-

жил, что все тела при движении испытывают продольноесокращение,

они уменьшаютсвою протяженность вдоль направления движения.

Если все тела сокращают свои продольные размеры, то нельзя

обнаружитьподобное сокращение непосредственным измерением, нап-

римерприкладыванием линейки с делениями к движущемуся стержню.

При этом движетсяи линейка и соответственно уменьшаются ее длина

и размерынанесенных на нее делений. Лоренцово сокращение компен-

сирует измененияскорости света, вызванные движением тела относи-

тельно эфира. Лучсвета движется медленнее в продольном плече ин-

терферометра, носамо плечо, благодаря движению, сталокороче, и

свет проходитсвой путь в продольном плече в течение того же вре-

мени, что и впоперечном плече. Различие в скоростисвета в силу

этогокомпенсируется и не может быть обнаружено. Таким образом

Лоренцрассматривает обнаруженное Майкельсоном постоянство ско-

рости света как чисто феноменологический результатвзаимной ком-

пенсации двухэффектов движения: уменьшение скорости света и сок-

ращенияпроходимого им расстояния. С такой точки зрения класси-

ческое правилосложения скоростей остается незыблемым. Абсолютный

характердвижения сохраняется — изменениескорости света сущест-

вует;следовательно, движение может быть отнесено не к другим те-

лам, равноправнымэфиру, а к универсальному телу отсчета — непод-

вижномуэфиру. Сокращение носит абсолютныйхарактер — существует

истиннаядлина стержня, покоящегося относительно эфира, иными

словами, стержня,покоящегося в абсолютном смысле.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879-1955)опубликовал статью «К

электродинамикедвижущихся тел". В этой статьеизложена теория,

исключающаясуществование абсолютного тела отсчета и привилегиро-

ванной системыкоординат для прямолинейного и равномерного движе-

ния. ТеорияЭйнштейна исключает абсолютное, независимое от прост-

ранственнойсистемы отсчета время и отказывается от классического

принципа сложенияскоростей. Эйнштейн исходит изсубстанциональ-

ного постоянстваскорости света, из того, что скорость света

действительноодна и та же в различных, движущихсяодна по отно-

шению к другойсистемах. У Лоренца абсолютное движение тел приво-

дит к изменению скорости света в этих телах, и, таким образом,

обладает реальнымфизическим смыслом. Оно — это абсолютное движе-

ние - прячется от наблюдателя в силу сокращенияпродольных масш-

табов,затушевывающего оптический эффект абсолютного движения. У

Эйнштейна абсолютноедвижение не прячется от наблюдателя, а прос-

то не существует.

Если движение относительно эфира не вызывает никаких эффек-

тов в движущихсятелах, то оно является физически бессодержатель-

ным понятием.

Оптические процессы в теле не могут бытькритерием его рав-

номерного ипрямолинейного движения. Равномерное ипрямолинейное

движение тела Ане изменяет хода оптических процессов, оно имеет

относительныйсмысл, должно быть отнесено к другому телу В и сос-

тоит оно визменении расстояния между А и В.Мы можем с одним и

тем же правомприсвоить роль тела отсчета, т.е.приписать непод-

вижность как телуА, так и телу В; фраза «тело А движется относи-

тельно тела В" и «тело В движется относительнотела А» описывает

одну и ту же ситуацию. Только такой смысл имеет равномерное и

прямолинейноедвижение. Оно отнесено к конкретным телам; мы можем

отнести движениетела А к различным телам отсчета, получить раз-

личныезначения его скорости, и никакое абсолютное тело отсчета

типа эфира недолжно фигурировать в научной картине мира. Движе-

ние телотносительно эфира и, следовательно, движение эфира отно-

сительно тел неимеют физического смысла.

Тем самым из физической картины мира устраняется понятие

единого времени, охватывающего всю Вселенную. Здесь Эйнштейнпо-

дошел к самым коренным проблемам науки — к проблемам пространс-

тва, времени и ихсвязи друг с другом.

Если нет мирового эфира, то нельзяприписать некоторому телу

неподвижность ина этом основании считать его началом неподвиж-

ной, в абсолютном смысле, привилегированной системыкоординат.

Тогда нельзяговорить и об абсолютной одновременности событий,

нельзяутверждать, что два события, одновременные в одной системе

координат, будут одновременнымии во всякой другой системе коор-

динат.

Вернемся к кораблю с экранами на корме ина носу и к набе-

режной, накоторой также установлены экраны. Когда вспышка фонаря

одновременноосветила экраны, мы можем говорить, что освещение

экрана на корме ина носу — одновременные события. Всистеме ко-

ординат,связанной с кораблем, эти события действительно одновре-

менны. Но мы неостановились на этой констатации и считали воз-

можным говоритьоб одновременности в абсолютном смысле. Тот факт,

что при движении корабля экраны освещаются неодновременно, нас

не смущал, мы учитывали запаздывание света, догоняющегокорабль,

т.е. идущего отфонаря к экрану на носу. Мы всегда могли восполь-

зоватьсяабсолютно неподвижной, связанной сэфиром системой отс-

чета и перейти от движущегося корабля к неподвижнойнабережной и

убедиться, что вэтой «неподвижной», «истинной», «абсолютной»,

«привилегированной»системе отсчета свет распространяется вовсе

стороны спостоянной скоростью, а в других, движущихся, системах,

<span Courier Ne

еще рефераты

Еще работы по философии

Русская философия серебряного века

13 Июля 2015

Реферат по философии

Современная философия

29 Августа 2013

Реферат по философии

Концепции человека в русской философии XIX века

29 Августа 2013