Как появилась теория относительности.
Недавно курили возле универа, не помню уже тему разговора, но один парень сказал: "Юлия Леонтьевна сказала, что ни одно уравнение в физике не написано просто так." Как человек довольно осторожный в своих высказываниях, быстро прокрутив в голове варианты, я медленно проговорил: "Ну да, а разве нет?" И тут последовал контрпример, которого я никак не ожидал: "А как же Эйнштейн написал уравнения теории относительности". Не ожидал наверное потому, что теория относительности как раз тот пример теории, где уравнения написаны совершенно не просто так. И уже, пытаясь коротко объяснить что да как, понял, что для понимания откуда взялась теория относительности, нужно понимать как развивалась наука. Человек спрашивал неглупый, потому у меня возникает подозрение, что даже среди вхожих в круги физиков людей кто-то может не понимать, откуда же взялась эта самая теория. Ну а для людей околонаучных я думаю будет полезно и подавно. Как всегда, объяснять всегда буду пытаться максимально простым языком, чтобы даже последний гуманитарий смог уловить суть. И, как завещал нам Гагарин, поехали!
Для начала следует понять, как же развивались представления о природе. И начнем мы, как полагается начнем с механики, пусть и затронем ее только вскользь. Создателем классической механики, по праву считается Ньютон. Для того, чтобы описать законы, полученные Кеплером из наблюдений, он сделал очень важную вещь: он сказал, что все тела воздействуют друг на друга, даже если между ними нет прямого контакта, они притягиваются друг к другу. Сила этого воздействия очень слабая, потому мы в обыденной жизни ее почти не замечаем, однако она объясняет почему мы живем на земле(т.е. не летаем), почему планеты вращаются друг вокруг друга, почему планеты круглые и все тому подобное. И все эти идеи в конце XVII - начале XVIII века! Таким образом, сейчас нам важно понять, что основы механики, ее строгие законы заложены уже примерно с начала XVIII века, до теории относительности осталось еще 200 лет.
Важно понимать, что Ньютон, как человек очень осторожный, не объяснял силу всемирного тяготения. Он просто говорил, что она есть, а почему она есть, как могут тела не касаясь действовать друг на друга, он не объяснял. И что еще важно понять, формулировка закона всемирного тяготения такова: Два тела всегда действуют друг на друга, сила эта ..., и дальше траляля, которое нам сейчас не важно.
Но время шло, механика развивалась, становилась матерой наукой, появлялись новые сложные уравнения, выстраивалась очень большая и сложная теория. И что важно, она работала всегда. Любой механизм, если аккуратно рассчитать его работу по науке также работал и в жизни. Но не одной механикой едины и к концу XVIII века электрические явления вышли из разряда развлечений иллюзионистов с эбонитовой палочкой и перьями, и плавно перекочевали в лаборатории. Не одна гравитация управляет нашей жизнью, но и какое-то другое, совершенно загадочное взаимодействие.
Так чуть по чуть, на фоне того как крепла механика, зарождалась новая теория электричества. Говорить о ней можно и нужно много, но не в этом посте. Тут расскажу лишь основные моменты. Людям всегда были известны два важных явления: если потереть стеклянную палочку о шерсть, то она будет притягивать легкие предметы типа перышек, и второе —- есть такие железяки, которые как-то взаимодействуют между собой, могут притягиваться и отталкиваться, поворачивать друг друга и всякие разные ништяки —- это магниты.
Потихоньку, электрическая теория развивалась, стало понятно, что существует два типа зарядов, заряды одного типа отталкиваются, заряды разных типов притягиваются. Закон для взаимодействия зарядов взяли по образу и подобию закона всемирного тяготения ньютона. И все бы было хорошо, если бы один дядька по имени Ганс Кристиан, и по фамилии не Андерсен, как многие подумали, а Эрстед не додумался к проводку, по которому течет электрический(!) ток, поднести магнит. Этот магнит как взбесился, стал жить совсем не по понятиям, забыл про магнитное поле земли и стал выстраиваться поперек провода с током. Стало понятно, что магниты - это лишь побочное действие электрической силы, однако возникающей только когда заряды движутся.
Таким образом электрические заряды способны к двум типам взаимодействий: электрическому, которое есть всегда, и магнитному, которое есть только если заряд движется. Степень воздействия зарядов, чисто для удобства стали описывать двумя типами полей: электрическим и магнитным, для каждого была своя формула, правило воздействия поля на другой заряд и подобные закономерности. Однако, что стоит понимать, изначально поля появились только как математическая абстракция, просто потому что так удобно считать.
Что еще важно заметить, так это то, что Эрстед свои работы опубликовал в 1820 году. Т.е. это 85 лет до теории относительности, а Ньютоновской механике тем временем уже почти 120 лет. 120 лет строгой математической теории, а электрические явления в это время еще считай только в яслях. Никто толком не понимает, что и как с электричеством и магнетизмом, просто есть набор правил что и как друг на друга действует.
Однако, почти сразу после Эрстеда по историческим меркам, к середине 30-х годов появляется Фарадей. Он до конца проводит все опыты по взаимодействию электричества и магнетизма, но что более важно, в его работах фигурирует такое представление: заряды создают поле электрическое, и если движутся, то магнитное. А это поле уже действует на другой заряд. Это лишь простое представление на пальцах, но для общественности он представлял воздействие зарядов именно так. Чувствуете разницу между электромагнетизмом и гравитацией Ньютона? У Ньютона два тела действуют друг на друга, в то время как у Фарадея заряд создает поле, а уже поле действует на заряд. Позже, в начале 60-х годов молодой неизвестный физик Максвелл оборачивает представления Фарадея в математическую оболочку. И уже труды Максвелла считаются строгой теорией электромагнетизма. Давайте посмотрим на время. С первых трудов Максвелла до теории относительности остается примерно 45 лет. Классической механике тем временем уже почти 160 лет. Однако не стоит питать иллюзий. Общепризнанной теория Максвелла стала не сразу, а только после опытов Герца в конце 80-х годов XIX века.
Итак, что мы имеем по состоянию на 1890 год. Классическая механика, матерая наука с почти двухсотлетней историей и относительно молодое учение о электромагнетизме. Однако был один момент в теории Максвелла. Магнитное поле создает движущийся заряд. Заряд движется, но относительно чего? В классической механике все движение относительно, не существует одной какой-то выделенной системы отсчета. А в электродинамике Максвелла если заряд движется, то относительно чего-то, значит все-таки есть какая-то "главная" система отсчета?
И что еще совсем немаловажно, в полевых уравнениях Максвелла, преобразование от одной системы отсчета к другой происходит весьма специфичным образом. А в классической механике эти преобразования системы координат довольно простые.
Таки образом мы имеем две теории, которые прекрасно описывают реальность, но между ними есть один конфликт, преобразования систем координат в них разные. Первое, что пришло на ум всем - так это просто то, что электромагнитные явления распространяются в какой-то другой "параллельной реальности". Этот параллельный мир неподвижен, преобразование систем координат в нем может быть свое. Движение частиц отсчитывается относительно этого мира. И этот мир никак не взаимодействует с нашим. Вроде все стройно - две теории - два мира, все противоречия относятся к различиям в мирах. Этот параллельный мир - это эфир, как жидкость которая пронизывает все и никак с материей не взаимодействует.
Идея отличная, все проблемы решены. Однако надо бы эту идею проверить. Земля движется вокруг солнца, значит и относительно этого параллельного мира-эфира должна двигаться? Взяли чисто электромагнитное явление - электромагнитные волны и запустили их в разные стороны. И вроде результат очевиден, но что-то пошло не так. Получилось как будто этот эфир связан с землей и относительно нее не движется. Ну физики то дядьки не глупые и не гордые, понимают, что земля центром вселенной быть не может. И тут начинаются попытки выкрутиться.
Сначала Лоренц, чтобы не отказываться от идеи эфира предлагает следующее: эфир все-таки как-то взаимодействует с реальным миром, но действует на него слабо. Двигаясь, земля чувствует сопротивление эфира и из за этого предметы сжимаются. Лоренц и чуть позже Пуанкаре рассчитали степень этого сжатия. Оно как и полагается зависит от скорости. Но все равно теория эфира выглядела притянутой за уши.
Всем было очевидно, что классическая механика, двухсотлетняя теория не может ошибаться. Значит существуют какие-то особенности взаимодействия того мира, где распространяется электромагнетизм, и мира классической механики, где существуют все предметы. Это было очевидно всем. Но не Эйнштейну.
Будучи почти ребенком, Эйнштейн размышлял о природе пространства и времени. Не имея глубоких познаний в физике, он пытался для себя решить эту проблему, размышлял о ней. Чуть позже, когда он набрал достаточный багаж знаний, эфир, казалось бы решал проблему. Однако, понятие эфира висело на волоске. И, вернувшись к своим детским размышлениям о природе пространства и времени, он получил свою теорию относительности.
Эйнштейн собрал разрозненные данные, которые были до него. Он применил преобразования систем координат, которые справедливы в электромагнетизме, к материальному миру. Все думали, что мы неправильно понимаем мир, где распространяются электромагнитные явления, он же сказал, что тот мир правилен, неправильны наши представления о материальном мире. И если в материальном мире действуют те же законы преобразования координат, что и в электромагнетизме, то отпадает вообще необходимость представления двух параллельных миров. Мир один, просто представления о пространстве и времени верны в новой молодой теории электромагнетизма, а не в старой классической механике. Развивая те идеи преобразования координат, он получил необходимое сокращение длины, которое было бы, если бы эфир давил на наш мир. Он получил что понятие времени не совсем однозначно и одинаково для всех, те же выводы были и в электромагнетизме, но они казались весьма условными, если бы был тот параллельный мир, где распространялись бы электромагнитные явления. Эйнштейн же просто объединил старую матерую классическую механику и новую теорию электромагнетизма.
И на месте, где сошлись классическая механика и электромагнетизм, возникла новая теория - Классическая теория поля (классическая, потому что не квантовая). Важно понимать, что эта теория возникла не на ровном месте, а на месте пересечения двух старых теорий. Она что-то привнесла в электромагнетизм, полностью перевернула классическую механику. Показала, что длина сокращается с увеличением скорости, что время так же зависит от того, с какой скоростью двигаться, что понятия одновременности относительно, выполняется лишь для какого-то одного наблюдателя. Показала, что чем сильнее ты разгоняешь тело, тем сложнее его разогнать. В умах обывателя этот эффект, как правило, связан с тем, что масса как будто бы зависит от скорости. Это не так. Ну да ладно, об этом как-нибудь в другой раз, а то и так текст раздулся до невообразимых размеров.
Что же хотелось бы сказать в конце... Читайте книги. Решайте задачи. Подписывайтесь на Задачник Ботана, там много ништяков для разминки мозгов. Мир сложней, чем нам кажется. Но это лишь дополнительный стимул, недоступная девушка всегда привлекательнее, так и мы, сталкиваясь со сложностями, лишь больше и больше хотим понять суть.
