Новая история стран Европы и Америки XVI–XIX века. Часть 1

Иной вариант анализа сложных явлений мира был разработан в теории релятивисткой механики (лат. «relativus» – «относительный»). Первые шаги к формированию теории относительности были предприняты еще в конце XIX в. Польский физик Мариан Смолуховский (1872–1917) выдвинул идею флуктуаций, т. е. временных колебаний термодинамических систем, делающих явления обратимости и необратимости относительными, зависимыми от времени и условий наблюдений. Американский ученый Джозайя Гиббс (1839–1903) рассматривал релятивистскую механику как «теорию ансамблей», т. е. мысленную совокупность систем, не находящихся в строго определенном взаимодействии. Свойства такого «ансамбля» оказывались относительны в зависимости от произвольного набора сосуществующих компонентов. Проблемам релятивисткой динамики были посвящены многие работы М. Планка. В окончательном виде принципы релятивистской механики были сформулированы А. Эйнштейном (в 1905 г. как специальная, а в 1916 г. – как общая теория относительности).

Специальная теория относительности исходила из двух классических постулатов: во-первых, в любых инерциальных, т. е. движущихся прямолинейно и без ускорения, системах все физические процессы протекают одинаково, во-вторых, скорость света в вакууме не зависит от движения источника или наблюдателя, т. е. она предельна и одинакова во всех инерциальных системах. Однако было отвергнуто фундаментальное допущение ньютоновской физики – представление об абсолютной одновременности событий, т. е. абсолютной природе времени и пространства. Эйнштейн был убежден, что ускоренное движение наблюдаемой системы, равно как и самого наблюдателя вносит существенные коррективы в восприятие времени, длины и массы тел. События, синхронные с точки зрения одного наблюдателя, не являются одновременными для второго наблюдателя, движущегося относительно первого. Следовательно, само понятие одновременности является лишь относительным. Длина одного и того же объекта с точки зрения движущегося и неподвижного наблюдателей также будет различной. Масса объекта является относительной величиной, поскольку с точки зрения ускоренного движения представляет собой меру инерционности, а значит возрастает по мере увеличения скорости.

Все эти относительные закономерности можно обнаружить при приближении к скорости света. На малых скоростях релятивисткая механика переходит в классическую и вполне согласуется с постулатами «ньютоновской картины мира». Таким образом, идеи Эйнштейна отнюдь не «отменяли» основы классической физики. Но они закрепляли совершенно новое представление о единстве пространства и времени. Пространство перестало восприниматься как «кладовая» для материи, а евклидова геометрия приобрела своего рода новую ось координат – четвертую, временную.

Исходя из специальной теории относительности, Эйнштейн сформулировал закон пропорциональности массы и энергии. По его мнению, на микроуровне проявляется прямая зависимость массы составляющих атом частей и энергии, необходимой для их удержания. Атомная энергия, таким образом, представляет собой массу ядра атома, перешедшую в энергетическое состояние. Это открытие объединило законы сохранения массы и энергии, рассматривавшиеся раньше автономно, и стало основой для развития ядерной физики.

Еще более важные следствия имела разработка общей теории относительности, которая распространялась на системы с произвольным, а не прямолинейным движением. Еще в 1911 г. Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет обладает инерцией и должен испытывать гравитационное воздействие. Таким образом, световые лучи, испускаемые звездами и проходящие вблизи Солнца, должны изгибаться у его поверхности. Значит, само пространство является неоднородным, и его геометрическая структура зависит от распределения масс, от вещества и поля. Эта гипотеза, подтвержденная астрономическими наблюдениями, на новом уровне обосновывала понятие неэвклидовой геометрии об «искривленном пространстве», точнее изменении геометрических свойств четырехмерного «пространства-времени» вокруг тел, образующих гравитационное поле.