ПРОБЛЕМА РЕФОРМЫ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПОД УГЛОМ ЗРЕНИЯ ЕЕ ЦЕЛОСТНОСТИ. ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ ЭЙНШТЕЙНА
Нельзя не видеть различия в задачах, которые ставил Эйнштейн на первом и втором этапах развития физической теории. На первом этапе была конкретная физическая задача — привести уравнения Максвелла в соответствие с требованием симметрии электромагнитных процессов и с фактом независимости скорости света от движения его источника. В результате Эйнштейн обнаружил, что разумно построенная теория вскрывает взаимосвязи понятий, о которых вне обобщающей теории и не подозревали, не подозревали именно потому, что подход к развитию науки был слишком эмпиричен. Теперь, после получения плодотворных результатов, Эйнштейн уже на всю классическую физику стал смотреть иными глазами, глазами критика. Он увидел, что дело не только в том, что Ньютон включил в физику внеопытные понятия абсолютного пространства, времени, дальнодействующих сил и проч.; о происхождении их и сам Ньютон проявлял беспокойство. Дело в том, что и все другие понятия классической физики были слишком слабо «упакованы» в единой теории, так как возникали они независимо друг от друга из разрозненного опыта. В уже упомянутой лекции «О методе теоретической физики» Эйнштейн говорил: «Ньютон, первый основатель обширной работоспособной системы теоретической физики, был еще убежден в том, что основные понятия и законы его системы происходят из опыта. Его слова hypotheses non fingo (гипотез я не строю) можно понять в этом смысле. Действительно, появившиеся в это время понятия пространства и времени не создавали никаких проблем. Понятия массы, инерции и силы и связанные с ними законы казались взятыми непосредственно из опыта. Раз эта база была принята, то и выражение для силы тяготения казалось выведенным из опыта и было основание ожидать то же самое в отношении других сил». Для Эйнштейна было ясно, что при таком понимании метода образования понятий и законов — из разрозненного опыта — в классической физике неизбежно должны были возникать понятия, хотя и различные по происхождению, по их связи с экспериментами, но эквивалентные по природе. Так, «специальная теория относительности» вскрыла эквивалентность массы и энергии. Очевидно, накопление таких понятий, которые позднее оказываются эквивалентными, не есть достоинство метода, в результате которого они возникали; теория построенная на основе таких понятий, не может быть совершенной. Свою важнейшую задачу Эйнштейн видел теперь в том, чтобы реформировать классическую физику навести в ней порядок, удалить из нее все понятия, сформулированные вне связи с теорией, а также излишние, эквивалентные понятия, которые так же не нужны теории, как автомобилю пятое опорное колесо. Результатом таких методологических установок Эйнштейна явилась разработанная им обобщенная теория тяготения, истолкованная им как «общая теория относительности». Таким образом, появление этой теории не было вынуждено противоречием существующей теории с каким-либо новым экспериментом. Эйнштейн сам понимал свой путь как результат требования «внутреннего совершенства» теории, логической стройности общей картины мироздания. Именно это различие причин возникновения «специальной» и «общей» теории относительности привело к такой ситуации, которую Макс Борн в своей лекции «Физика и относительность» (1955) отмечает в следующих словах: «Специальная теория относительности была открытием в конечном счете не одного человека. Работа Эйнштейна была тем последним и решающим элементом в фундаменте, заложенном Лоренцом, Пуанкаре и другими, на котором могло держаться здание, воздвигнутое затем Минковским». Над проблемами, возникшими в связи с электродинамикой движущихся систем, работали многие физики, в том числе и Эйнштейн, вложивший «решающий элемент» в теорию. А вот «внутренним совершенством» классической теории практически занимался только Эйнштейн. Поэтому Борн и отмечает, что «в противоположность специальной теории относительности, это была работа одного человека». Главная идея новой теории Эйнштейна состояла в том, чтобы пространственно-временной континуум, к идее которого привела теория относительности, представить как единую сущность внешнего физического мира. Что выигрывает от этого физика? В классической физике все ее законы разрознены, они связывают физические категории, представления о смысле которых возникали в различных экспериментах. В новой физике континуума все физические законы должны быть представлены как свойства этого континуума, как его метрика. Это и позволяет улучшить «концептуальный фундамент» физики, удалить из нее излишние понятия, представить ее как единую систему. С этой новой позиции Эйнштейн рассмотрел закон тяготения Ньютона. Вместо сил тяготения он стал оперировать с полями тяготения; это уже делала и классическая физика, но там это было скорее только «формальным приемом». Поля тяготения Эйнштейн включил в пространственно-временной континуум как его «искривление». Метрика континуума перестала быть евклидовой (точнее псевдоевклидовой), она стала «римановой метрикой». -Тем самым из физики были удалены дальнодействующие силы Ньютона, которые всегда считались слабым пунктом ньютоновой физики. «Кривизна» континуума рассматривается как следствие соответствующего «распределения движущихся масс» в нем. Опираясь на идеи римановой геометрии, Эйнштейн ввел меру кривизны пространства-времени (в ковариантной форме) в виде некоторого «тензора кривизны». Для «распределения движущихся масс» в этом континууме он также нашел некоторую специфическую меру — «тензор энергии-импульса». Важнейшим результатом всех этих исследований Эйнштейна является установление взаимосвязи между тензором энергии-импульса (распределением движущихся масс) и тензором кривизны пространства-времени (метрикой континуума). Найденное уравнение играет здесь роль, аналогичную роли ньютонова уравнения движения масс в обычном евклидовом пространстве. Понятия, которыми оперирует в этой теории Эйнштейн, имеют весьма абстрактный характер. Но схема взаимосвязей здесь довольно проста. «Распределение движущихся масс» в континууме определяет его «кривизну». Кривизна континуума определяет «геодезические линии» в нем — «линии кратчайших расстояний». Кривизна, геодезические линии континуума,— это его существенные свойства, они определяют происходящие в нем процессы. Так, массы, не создающие большого поля, перемещаются в континууме только вдоль геодезических линий. В евклидовом пространстве геодезическими линиями являются прямые. Согласно ньютоновой механике вдоль этих прямых происходит инерционное движение. Но рассмотрение всех других движений требует в ньютоновой механике введения новых физических Категорий — сил, определения закона их действия, возникает проблема передачи действия сил на расстояние и т. д. и т. п. К тому же теория тяготения Ньютона не объясняет полностью все процессы, связанные со взаимодействием масс. Так, например, констатируя наличие вращения перигелия планет, близких к Солнцу (Меркурий), она не приводит к точной величине этого вращения. Теория Ньютона отражает действительность лишь для слабых полей и небольших скоростей масс. Тот факт, что теория Эйнштейна не требует введения сил тяготения, а взаимодействие масс учитывается в ней через характер искривления пространственно-временного континуума, т. е. через его общее свойство, раскрывает новые возможности теории. В самом деле, общие свойства континуума, раз они найдены, определяют характер любых физических процессов, в нем происходящих. Например, из этого следует, что вдоль геодезических линий континуума должны перемещаться не только массы, но и лучи света; если геодезические линии континуума искривлены, то и распространение света не будет прямолинейным. Это должно обнаружиться в областях континуума, в которых искривление линий достаточно велико, например при прохождении луча вблизи Солнца, где поле тяготения велико сравнительно с полем вблизи Земли. Эйнштейн рассчитал, что луч звездного света, проходя вблизи Солнца, должен испытывать отклонение от прямолинейного пути на 1,75 угловых секунд. Этот вывод теории Эйнштейна был подтвержден во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года, когда две английские экспедиции — одна на западном побережье Африки, а другая в северной части Бразилии — получили фотографии звезд, видимых вблизи закрытого солнечного диска. Теория Эйнштейна предсказала также смещение к красному концу спектра спектральных линий излучения, проходящего в поле тяготения звезд; это смещение особенно заметно при прохождении излучения вблизи звезд, обладающих большой массой, где, следовательно, поле тяготения велико. Теория дала расчет и точной величины вращения траектории Меркурия. Вообще теория тяготения Эйнштейна точнее, чем теория Ньютона, отображала процессы в области сильных полей при наличии быстродвижущихся масс. Таким образом, несмотря на огромную абстрактность, чуждую мышлению многих физиков того времени, теория Эйнштейна оказалась плодотворной, она подвинула знание природы вперед. Именно в этом сочетании абстрактности и плодотворности лежит причина исключительной мировой славы Эйнштейна как ученого. После подтверждения предсказаний обобщенной теории тяготения об Эйнштейне заговорили как об ученом, который одной только силой своего мышления раскрывает неизвестные до того тайны природы. Но одновременно успех теории утвердил Эйнштейна в его теоретико-познавательных взглядах. Разработка теории относительности и теории тяготения убедила Эйнштейна в том, какое огромное значение имеет теория, взятая в целом. Несомненно, что он убедился в этом в ходе исследований, то есть уже в первом и втором десятилетии нашего века. Позднее, в своем «Ответе на критику» Эйнштейн дважды возвращается к объяснению своей позиции по этому вопросу. На критику Рейхенбаха он отвечает в форме диалога между Рейхенбахом и неким Не-позитивистом(!), и от имени последнего ставит вопрос: «А почему отдельные встречающиеся в теории понятия вообще требуют какого-то отдельного оправдания, если они необходимы только в рамках логической структуры теории и теория утверждается только в своей целостности?» А по поводу упрека Бриджмена в отходе от операционализма Эйнштейн еще более точно определяет свою позицию: «Чтобы логическая система могла рассматриваться как физическая теория, нет необходимости требовать, чтобы все ее утверждения могли толковаться независимо и чтобы они могли быть независимо «проверяемы» «в операционалистском смысле», фактически это никогда еще не было выполнено ни в одной теории, да и не может быть выполнено вообще. Чтобы некоторую теорию можно было рассматривать как физическую, необходимо только, чтобы она вообще заключала в себе эмпирически проверяемые утверждения» (курсив Эйнштейна). Итак, реформа классической (ньютоновой) теории тяготения, проведенная Эйнштейном под углом зрения увязывания физических понятий в единой теории (обобщенной теории тяготения), привела к положительным результатам и подтвердила роль теории как целостности. Разъясняя позже фактически реализованную им линию, Эйнштейн уже в явной форме подчеркивает это значение теории.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ПРОБЛЕМА РЕФОРМЫ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПОД УГЛОМ ЗРЕНИЯ ЕЕ ЦЕЛОСТНОСТИ. ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ ЭЙНШТЕЙНА» з дисципліни «Еволюція фізики»
