Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией финансового факультета для студентов ннгу, обучающихся по специальностям 080105 «Финансы и кредит», 080301 «Коммерция»
| Вид материала | Учебно-методическое пособие |
- Учебно-методический комплекс по отечественной истории составлен в соответствии с требованиями, 909.22kb.
- Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся по специальностям Финансы, 495.45kb.
- Учебно методическое пособие Рекомендовано методической комиссией финансового факультета, 610.38kb.
- А. Ю. Лукьянова И. В. Меркулова М. А. Герасименко Банковский маркетинг Учебно-методическое, 325.81kb.
- Учебно-методический комплекс Для студентов, обучающихся по специальностям: 080109 Бухгалтерский, 793.02kb.
- Учебно методическое пособие Рекомендовано методической комиссией факультета вычислительной, 269.62kb.
- А. Ю. Лукьянова И. В. Меркулова М. А. Герасименко международные валютно-кредитные отношения, 1361.85kb.
- Методические рекомендации по выполнению курсовых работ по дисциплине «Экономическая, 649.86kb.
- Пособие для преподавателей русского языка, ведущих занятия с иностранными студентами,, 4956.75kb.
- Алексеев Николай Евгеньевич, доцент, к э. н. Финансы, денежное обращение и кредит:, 1013.26kb.
3. ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ И ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ КАРТИНЫ МИРА
Развитие естествознания началось еще в античном мире (в основном, в Древней Греции и ее колониях, в 6-2 веках до н.э.). Этот период характеризовался становлением натурфилософии, или философии природы, которая рассматривала мир в его целостности и основывалась на его чисто умозрительных истолкованиях.
В тот период зародились идеи:
- строение вещества из атомов (Демокрит, Эпикур);
- геоцентрическая система мира (Птолемей);
- простейшие законы механики, гидростатики (Аристотель, Архимед).
Некоторые из этих идей подтвердились развитием науки, но большинство оказалось отвергнутым. Основной причиной ошибочных теорий древних ученых была следующая. Они пытались создать теории, которые можно было бы представить наглядно.
На первый взгляд, это звучит абсурдно. Что это за теории, лежащие в основе современного естествознания, которые нельзя представить наглядно? Тем не менее, это так. Ведь не наглядность есть критерий истинности теории, а опыт, эксперимент. Древние ученые мало ставили опытов. Они, в основном, наблюдали и делали умозрительные заключения, но все дело в том, что некоторые стороны действительности незаметны для поверхностного наблюдения.
Самый типичный пример на эту тему – замена геоцентрической системы мира Птолемея на гелиоцентрическую систему Коперника (середина 16 века). Птолемей наблюдал небо, Солнце, планеты, звезды, их движение по небосводу и заключил, что Земля находится в центре мира, а все вокруг нее вращается по сложным траекториям. Все это наглядно, но неверно. Наблюдателю лишь кажется, что он в центре мира, а траектории планет лишь кажутся сложными в проекции на сферу небосвода. На самом же деле, траектории планет просты, но вращаются они вокруг Солнца. Это не наглядно, это трудно представить наблюдателю на Земле, но это верно, и дальнейшее развитие науки подтвердило это.
Таким образом, верная теория не должна быть самой наглядной, но должна лишь согласовываться с экспериментом.
Теории древних просуществовали долгое время (почти 2000 лет), и на то были объективные причины:
- церковь в средние века сама все объясняла и преследовала передовых ученых (Дж. Бруно);
- промышленность – основной заказчик науки – была в зачаточном состоянии.
Становление естествознания в современном смысле произошло в 16-17 веке, когда начала развиваться промышленность (капиталистическое производство). Прежде всего, востребовалась механика* для расчета различных механизмов и т.д. Ее развитие в тот период связано с именем великого итальянского ученого Галилео Галилея. Именно он сформулировал первые положения и законы классической механики, отбросив принцип древней механики Аристотеля (еще один отказ от наглядности в естествознании).
Аристотель в свое время выдвинул наглядный принцип: движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие. Однако этот принцип не учитывает трение. Он как бы соответствует действительности, но «не увидели», что причиной остановки является сила трения, а не снятие толкающей силы.
Чтобы опровергнуть этот принцип, Галилей провел свой знаменитый мысленный эксперимент, введя понятия идеально гладкого тела и идеально гладкой поверхности, исключающей трение. Он сформулировал: если идеально гладкое тело скользит по идеально гладкой поверхности, то оно сохранит свое движение (скорость) бесконечно долго, если на него не будут действовать сторонние силы.
Это утверждение вошло в науку как закон инерции или как первый закон механики. Галилей сформулировал также принцип относительности в механике: если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой, то есть в любой инерциальной системе отсчета.
В дальнейшем доказали, что принцип относительности справедлив и в других разделах физики: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.
В конце 17 века великий английский физик Исаак Ньютон завершил создание классической механики. Он сформулировал основные законы движения, закон всемирного тяготения, понятия массы, инерции, ускорения. Все это известно из школьного курса физики.
Получилось так, что механика явилась первой наукой, которая была разработана комплексно и, в целом, завершено, поэтому, именно, на ее основе возникла и сложилась механистическая исследовательская программа и первая комплексная, в современном понимании естественно-научная картина мира.
Необходимо уточнить понятия исследовательской программы и естественно-научной картины мира.
Развитие науки определяется внешними и внутренними факторами. К первым относится влияние государства, экономических, культурных, национальных параметров, ценностных установок ученых. Вторые определяют и определяются внутренней логикой и динамикой развития науки. Не всегда первые можно четко отделить от вторых, и, тем не менее, данное разделение полезно.
Внутренняя динамика развития науки имеет свои особенности на каждом из уровней исследования. Эмпирическому уровню присущ кумулятивный (собирательный) характер, поскольку даже отрицательный результат эксперимента вносит свой вклад в накопление знаний. Теоретический уровень отличается более скачкообразным характером, так как каждая новая теория представляет собой качественное преобразование системы знания. Новая теория не отрицает полностью старую (хотя в истории науки были случаи, когда приходилось отказываться от ложных концепций теплорода, электрической жидкости и т.п.), но чаще ограничивает сферу ее применимости, что позволяет говорить о соответствии в развитии теоретического знания.
В начале 1960-х гг. американский ученый Т. Кун выдвинул концепцию, согласно которой теория до тех пор остается принятой научным сообществом, пока не подвергается сомнению основная парадигма (установка, образ) научного исследования в данной области. Динамика науки была представлена Т. Куном следующим образом: старая парадигма – нормальная стадия развития науки – революция в науке – новая парадигма.
Парадигмальная концепция развития научного знания затем была конкретизирована с помощью понятия «исследовательская программа» как структурной единицы более высокого порядка, чем отдельная теория. В рамках исследовательской программы и обсуждается вопрос об истинности научных теорий. Следующая более высокая структурная единица – естественно-научная картина мира, которая объединяет в себе наиболее существенные естественно-научные представления эпохи.
Успехи механики привели к становлению механистической исследовательской программы и механистической картины мира в целом. Отметим их основные моменты.
1. Весь мир представлялся как гигантский механизм, движение которого на всех уровнях подчинялось законам механики. На уровне макромира (на Земле) движение всех тел подчиняется законам механики. На уровне мегамира движение планет и звезд подчиняется законам механики. На уровне микромира движение всех атомов и молекул подчиняется законам механики.
2. Все явления природы пытались свести к действию механических законов (хотя они относились к другим разделам физики и науки в целом).
3. Материю понимали только как вещество, из которого состоят все тела.
4. Все эти тела располагались в некоем гипотетическом веществе – эфире, который занимает все пространство и везде проникает (во все поры тела).
5. Пространство понималось как абсолютная и равномерная сущность, свойства которого не зависели от свойств материи в пространстве и ее движения.
6. Время также воспринималось как самостоятельная сущность, которая не зависела ни от пространства, ни от материи в пространстве, ни от ее движения (абсолютное время, некоторый абстрактный абсолютный метроном, который отсчитывает время равномерно текущее и абсолютное для всех).
Таким образом, принималось существование абсолютного пространства и времени, не зависящих от материи. Все тела находились в эфире, в пространстве и во времени «как рыбки в аквариуме». Если вообразить исчезновение всех тел, то структура пространства и времени сохранилась бы в такой картине.
Такой взгляд на мир просуществовал почти два века до конца 19 столетия. На рубеже 19 и 20 веков грянул кризис, поскольку к началу 20 века наука накопила много фактов, которые механистическая парадигма и соответствующая ей картина мира объяснить были не в состоянии. Далее рассмотрим, каким образом происходила смена взглядов и как утверждалась новая релятивистская* исследовательская программа, являющая собой одну из основ современной картины мира. Современная естественно-научная картина мира основывается также на принципе саморазвития. В этой картине присутствует человек и его мысль. Она эволюционна и необратима. В ней естественно-научное знание неразрывно связано с гуманитарным.
4. УТВЕРЖДЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ПРОГРАММЫ. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ФИЗИКИ КАК ОСНОВЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Развитие физики 19 века в рамках механистической исследовательской программы, казалось бы, не предвещало каких-либо резких поворотов. Положение дел в целом казалось очень хорошим. Это настроение ученых на рубеже 19 и 20 веков как нельзя лучше выразил Дж. Томсон, высказавший мнение о том, что здание физики практически построено, не хватает лишь нескольких деталей, и на ясном небосклоне имеются только три облачка:
- результат опыта Майкельсона – Морли;
- расхождение между теорией и экспериментом при исследовании законов теплового излучения;
- открытие электрона самим Дж. Томсоном.
Как показала история развития физики в 20 веке, из этих облачков разразилась настоящая гроза, которая привела к смене научной парадигмы. Из первого облачка выросла теория относительности. Из второго и третьего – квантовая теория. Возникшие проблемы еще далеки от разрешения, и работы хватит физикам многих последующих поколений.
4.1. Специальная теория относительности. Новый взгляд на пространство и время
Один из основных фактов, установленных в конце 19 века американскими учеными Майкельсоном и Морли, - факт постоянства скорости света C. Уже он один породил кризис в механике и, соответственно, во всей механистической картине мира.
Рассмотрим корабль, двигающийся относительно берега. Согласно классической механики, скорость света от фонарика на корабле, плывущем со скоростью V относительно берега, равна C, а относительно берега будет равна C+V, то есть может быть больше C. Однако опыт говорит о другом. Скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчета и равна приблизительно 300 000 км/с.
Как же быть? Как же разрешить это противоречие? Классическая механика со своими абсолютными и независимыми пространством и временем объяснить это противоречие была не в состоянии. Чтобы разобраться в сложившейся ситуации пришлось коренным образом изменить взгляд на мир.
В 1905 году А. Эйнштейн предложил новую теорию (теорию относительности), в которой по-новому осмыслил понятия пространства и времени. Он рассуждал следующим образом. Если скорость света должна быть постоянной во всех инерциальных системах отсчета, то, стало быть, время в каждой системе отсчета должно быть свое, а пространство – свое.
В самом деле, скорость есть отношение расстояния (параметр пространства), пройденного светом за время t, к самому времени t, и, если эта скорость есть величина постоянная, то видоизменяются пространство и время!
Вернемся к нашему кораблю. Скорость света относительно берега (неподвижного наблюдателя) C+V>C, но C=const, следовательно, для обеспечения C=const, часы у неподвижного наблюдателя должны идти быстрее, а у движущегося – медленнее. Изменяться будет и длина корабля.
Опуская сложную математику, рассмотрим основные исходные постулаты (принципы) специальной теории относительности (далее по тексту СТО) и ее основные следствия и эффекты.
Основные постулаты СТО.
1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.
Эффекты и следствия СТО.
1. Замедление времени: все процессы в движущейся инерциальной системе отсчета протекают медленнее, чем в неподвижной.
2. Относительность одновременности: события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются неодновременными для другого, движущегося относительно первого.
3. Сокращение продольных размеров движущихся тел: для неподвижного наблюдателя длина движущегося тела сокращается.
4. Рост массы движущегося тела: масса тела растет при увеличении его скорости движения.
5. Эквивалентность массы и энергии:
E=
, (4.1)где E – энергия, m0 – масса покоя тела, v – скорость движения тела, E = m0c2 – энергия покоя тела.
При увеличении скорости движения тела до световой, энергия стремится к бесконечности, поэтому скорость тела с некоторой массой покоя никогда не достигнет скорости света. Таким образом, скорость света выступает как предельная скорость передачи воздействий и сигналов в пространстве (в отличие от классической механики, в которой возможна мгновенная передача воздействий во времени и пространстве).
В разработке СТО принимал участие не только А. Эйнштейн. Математические преобразования теории были разработаны голландским ученым Лоренцем и французским математиком А. Пуанкаре. Идея относительности пространства и времени появилась еще у Лейбница: свойства пространства и времени связаны со свойствами тел, находящихся в них.
Экспериментальное подтверждение СТО. Теория подтверждена многочисленными экспериментами, в основном, на элементарных частицах. Например, время жизни частиц зависит от скорости их движения.
Преемственность СТО. Эта теория преодолела противоречия классической механики и вобрала ее в себя. Сейчас классическая механика рассматривается как раздел релятивистской механики при малых массах и скоростях.
Мировоззренческое значение СТО.
1. Привела к созданию новой релятивистской исследовательской программы в естествознании, которая заменила механистическую научную парадигму.
2. Показала, что пространство, время и материя взаимосвязаны:
- свойства пространства и времени зависят от свойств материи, которая в них находится, и от ее движения;
- пространство и время взаимосвязаны и составляют единое 4-х мерное пространство-время (предложено Г. Минковским в 1908 году); объект, существующий в таком 4-х мерном пространстве-времени, дает проекции на воспринимаемые человеком измерения, которые, подобно тени от предмета, могут увеличиваться и уменьшаться при движении объекта; это определенным образом поясняет эффекты СТО по сокращению размеров тела и др.; сам 4-х мерный объект не меняется, но мы не можем воспринять его целиком.
3. Показала относительность массы и энергии, их эквивалентность. Объединила законы сохранения массы и энергии, которые ранее понимались как обособленные.
Поразмышляем немного. Значение СТО видно и на обыденном уровне. Если сравнить продолжительность жизни двух человек, которые ведут активный и пассивный образы жизни, то, согласно теории относительности (при прочих равных условиях), время жизни активного человека, который все время в движении, будет больше. Вот такое естественно-научное обоснование активного и здорового образа жизни!
4.2. Поле – особая форма материи. Дальнодействие и близкодействие
Ранее материю рассматривали только как вещество, однако развитие науки показало, что материя может существовать и в другом виде – в виде «поля». Как пришли к такому пониманию?
Впервые идею о существовании поля выдвинул великий английский ученый Майкл Фарадей, открыв в 1831 году явление электромагнитной индукции*: электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента – электромагнитного поля.
Он впервые объединил электричество и магнетизм, признав их одной силой природы, но это была пока только идея, догадка.
В 1873 году великий шотландский физик Дж. Максвелл разработал теорию электромагнитного поля, предложив знаменитые уравнения Максвелла. Отметим, что гипотеза Фарадея и теория Максвелла явились, пожалуй, наиболее значительными событиями в физике со времен Ньютона и первым шагом на пути унификации (объединения) взаимодействий.
Основные идеи, положенные в основу теории электромагнитного поля.
1. Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает снова переменное электрическое поле и т.д. Происходит передача взаимодействия от одной точки пространства к другой ближайшей точке пространства и образуется единая электромагнитная волна, перемещающаяся в пространстве и передающая энергию на расстояние.
2. Свет – электромагнитная волна определенной частоты и, следовательно, скорость распространения этой волны равна скорости света.
Не все ученые сразу поняли и признали теорию Максвелла. Решающее значение имели опыты немецкого физика Г. Герца по обнаружению электромагнитных волн в 1886-89 гг., а уже в 1895 году российский ученый А. Попов предложил использовать электромагнитные волны для беспроводной передачи информации на расстояние (радиопередача).
В то время все еще думали, что электромагнитные волны – это «возмущенное» состояние (колебания) эфира – того самого гипотетического вещества, которое пронизывает все пространство в механистической картине мира.
В 1905 году А. Эйнштейн в СТО:
- предлагает отказаться от концепции эфира как среды распространения электромагнитных волн и
- рассматривает электромагнитное поле как первичную физическую реальность (поле – не вещество!), которая не подчиняется законам механики.
Итак, можно дать определение. Поле – особая форма материи, которая не дана человеку в ощущениях (только через приборы) и не подчиняется законам механики. Сравнительная табл. 4.1 поясняет особенности форм материи на тот момент развития науки.
Интересно, как был развит математический аппарат для теории поля, ведь, если поле нельзя ощутить, то, как его описывать, рассчитывать и т.д.? Придумали еще теоретическое (математическое) понятие поля: если каждой точке пространства поставить в соответствие какую-то величину (вектор или скаляр), то полученная система и будет называться полем.
В принципе, каждому типу взаимодействий в природе можно поставить в соответствие определенное поле, например, поле тяготения, поле электростатических сил и т.д. Такой подход, получивший название полевого, оказался в дальнейшем очень эффективным для физики, для науки, но тогда, на рубеже 19 и 20 веков, делались только первые шаги.
Таблица 4.1
Сравнительная таблица форм материи
| Материя | |
| Вещество | Поле |
| Обладает энергией, массой, импульсом* | Обладает энергией, массой, импульсом |
| Свойства: дискретность, конечность числа степеней свободы* | Свойства: непрерывность распространения в пространстве, бесконечное число степеней свободы |
| Описывается уравнениями Ньютона, которые применимы к областям пространства, где присутствуют частицы вещества | Описываются уравнениями Максвелла, которые применимы ко всему пространству безотносительно к веществу |
Мировоззренческое значение полевого подхода.
1. Было показано, что материя может существовать не только как вещество, но и в других формах (поле);
2. Произошло обоснование и утверждение в науке принципа близкодействия, согласно которому передача взаимодействия происходит от одной точки пространства к другой ближайшей точке пространства, в отличие от принципа дальнодействия, который господствовал в классической механике и утверждал возможность мгновенной передачи взаимодействия между любыми точками пространства.
4.3. Общая теория относительности. Дальнейшая унификация физических явлений. Рождение научной космологии
В 1916 году А. Эйнштейн создает теорию пространства, времени и тяготения – общую теорию относительности (далее по тексту ОТО).
В отличие от СТО, над которой в начале 20 века размышляли многие ученые (Пуанкаре, Лоренц и др.), и, если бы не Эйнштейн, то ее сформулировали бы другие физики, общая теория относительности оказалась неожиданной теорией, поскольку мало кто думал в этом направлении. И на это были причины. Предположение об относительности равномерного прямолинейного движения практически не вызывало возражений среди ученых, а вот предположить, что ускоренное движение не абсолютно, никто не мог, так как это шло вразрез со здравым смыслом того времени. Ньютон, размышляя над вращением ведра с водой и эффектом ее выплескивания от этого движения, никак не мог предположить, что ответственным за это явление мог быть вращающийся Космос при неподвижном ведре. Поэтому он считал ускоренное движение абсолютным, да и все остальные ученые вместе с ним. Тем не менее, Эйнштейну было над чем поразмышлять.
Недостатки и противоречия Ньютоновской теории тяготения.
1. Ньютон предполагал мгновенное распространение поля тяготения в соответствии с принципом дальнодействия, а СТО утверждала, в соответствии с принципом близкодействия, что предельная скорость распространения любых взаимодействий есть скорость света.
2. Ньютон рассматривал гравитацию* и инерцию* как разные по своей природе явления, хотя отмечался странный факт равенства гравитационной и инерционной масс, а также факт g=const, что объяснялось простым случайным совпадением.
3. Если равномерное прямолинейное движение относительно, то почему не может быть относительным всякое движение? Почему инерциальные системы отсчета выделены относительно всех других?
Размышляя над этими вопросами, Эйнштейн взялся за дело как всегда кардинально. Помните, в СТО он сказал, что если мы не можем обнаружить эфир, то его и нет вовсе! А в ОТО он сказал, что явления инерции и гравитации так похожи, поскольку имеют одну природу! Это как две стороны одной медали. Если до Эйнштейна полагалось, что можно моделировать силу тяжести ускоренным движением с силами инерции, например, в лифте пассажира придавливает к полу при движении его вверх, или компенсировать силу тяжести, например, при свободном падении лифта пассажир не имеет веса и парит в невесомости, то сейчас понимается, что гравитационное поле, по сути, создается ускоренным движением материи. Унификация этих двух явлений значительно упрощает и объединяет картину мира.
Основные постулаты ОТО.
1. Тяготение одинаково действует на тела, сообщая им одинаковые ускорения, независимо от массы, химического состава и других свойств тел (g=const - это установлено еще Галилеем).
2. Принцип эквивалентности Эйнштейна: физические процессы в поле тяготения и в ускоренной системе в отсутствии тяготения протекают по одинаковым законам. Другими словами можно сказать, что нет абсолютного движения, а есть относительное движение тела и Вселенной, и создаваемое поле от этого движения можно рассматривать как инерционное (в одних системах отсчета) и как гравитационное (в других системах отсчета). Это и есть принцип эквивалентности тяжести и инерции. Природа этих сил едина.
Не вдаваясь в сложную математику, отметим, что выполнение постулатов ОТО приводит к пониманию сил гравитации (инерции) как искривления 4-х мерного пространства-времени. Рассмотрим основные эффекты и следствия ОТО.
1. Гравитационное поле есть проявление искривления четырехмерного пространства-времени, то есть природа гравитации есть искривление пространства-времени. Как это понять? Представим батут, на котором находится небольшой шарик. Поведение этого шарика не зависит от его места на батуте, и он может покоиться в любой точке, куда бы его ни положили. Поместим в центр батута массивное тело, и оно продавит батут, искривив его плоскость. Теперь маленький шарик будет постоянно скатываться по батуту к этому массивному телу, то есть искривление плоскости батута под действием массы тяжелого тела создает поле сил, которые заставляют маленький шарик устремляться к центру батута, где находится массивное тело. Аналогично создается поле тяготения вокруг массивных тел, которые искривляют вокруг себя пространство-время, но реально представить искривление четырехмерного пространства-времени мы не можем.
Отметим, что создание ОТО стало возможным лишь после разработки неевклидовых геометрий Н. Лобачевским, Б. Риманом и др. В ОТО использовано Риманово четырехмерное пространство положительной кривизны.
2. Кривизна пространства-времени создается источниками гравитационного поля. При этом тяготение определяется не только массой объекта, но и всеми видами энергии, присутствующими в системе. Другими словами, тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от наличия различных физических полей в пространстве. Это – распространение принципа эквивалентности массы и энергии из СТО в ОТО.
3. Распространение поля тяготения (искривление пространства-времени) происходит подобно распространению волны со скоростью света.
4. Материя в движении создает искривление пространства-времени, которое, в свою очередь, влияет на движение материи. Это определяет нелинейный эффект взаимосвязи материи, пространства и времени.
5. Решение уравнений ОТО приводит к модели нестационарной Вселенной (А. Фридман, Россия, 1922 год). Наша Вселенная нестационарна и расширяется в настоящую эпоху. При этом всевозможные галактики разбегаются друг от друга.
6. Черные дыры – космические объекты, возникающие в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров меньше его гравитационного радиуса*, когда имеет место гравитационный коллапс (гравитационное «самозамыкание звезды»), и ничто не улетает с ее поверхности и не достигает внешнего наблюдателя.
7. Сингулярность пространства-времени: при скоростях, приближающихся к скорости света, и при сильном гравитационном поле пространство-время как бы сжимается в точку. Формально, с точки зрения ОТО, это места, где обрывается существование частиц и полей в обычной известной нам форме.
Этот список эффектов и следствий можно продолжать дальше, но пока ограничимся этим.
После появления ОТО, многие ученые критически отнеслись к ней и к отсутствию ее экспериментального подтверждения, однако скепсис физиков был недолгим.
Экспериментальная проверка ОТО.
1. Удалось рассчитать точнее орбиту Меркурия, чем это было ранее по уравнениям Ньютона. Меркурий – наиболее близкая к Солнцу планета и в наибольшей степени испытывает воздействие Солнца и искривленного пространства вокруг него. Его орбита – эллипс, и он медленно поворачивается. Такое аномальное поведение Меркурия законы Ньютона описывали не точно, и лишь расчеты по ОТО дали точный результат.
2. Проверка искривления луча света при прохождении вблизи массивных тел. Экспериментально проверено с точностью ~ 6% во время полных затмений Солнца. Первые измерения были проведены в 1919 году английским ученым Эддингтоном во время экспедиции в Африке.
На самом деле искривление видно в нашем трехмерном пространстве. В четырехмерном пространстве-времени луч идет по прямой геодезической линии, которая является кратчайшей для данного неевклидова пространства.
3. В 1929 году американский астроном Э. Хаббл обнаружил смещение спектров излучения звезд в сторону красного цвета («красное смещение»), что подтверждает модель расширяющейся Вселенной.
Суть красного смещения можно пояснить следующей аналогией. Если мы воспринимаем свет, звук или другой волновой процесс от неподвижного источника, то он имеет один спектр (тембр), а если от движущегося – другой. Так, человек легко отличает тембр приближающегося поезда от звуков удаляющегося поезда (самолета и т.д.). Аналогично происходит со светом. При удалении источника света от наблюдателя он воспринимает его более красным, при приближении – более фиолетовым.
Были проведены и другие эксперименты (хотя и не очень многочисленные) по проверке эффектов и следствий ОТО и тоже показали хорошие результаты. Кроме этого, проводят эксперименты по проверке постулатов ОТО, то есть принципа эквивалентности и g=const (на данный момент ученые достигли точности порядка 10-12 и на этом не останавливаются).
На сегодняшний день многие ученые оценивают ОТО как хорошо подтвержденную теорию (но, всегда помним К. Поппера!).
Преемственность ОТО.
ОТО преодолевает недостатки и противоречия классической механики (КМ) и СТО, которые рассматриваются как частные случаи ОТО. КМ (для малых масс и скоростей) - СТО (для равномерного прямолинейного движения) – ОТО. Это и есть преемственность науки.
Надо отметить, что и ОТО не лишена недостатков, например, принцип эквивалентности инерции и гравитации носит локальный характер и т.д. Короче говоря, всегда помним К. Поппера!
Мировоззренческое значение ОТО.
1. Унифицировала явления инерции и гравитации, которые ранее рассматривались обособленно.
2. Сделала еще один шаг на пути утверждения релятивистской исследовательской программы в естествознании, распространив относительность на все движение.
3. Положила начало научной космологии – науки о развитии и строении Вселенной. Сейчас различные космологические модели можно на научной основе (каковой является ОТО) создать, проверить, отбраковать, развить и т.д., в отличие от предыдущих веков, когда аналогичные модели были скорее фантастическими, нежели научными.
4. Показала взаимосвязь материи, пространства-времени и гравитации.
5. Внесла вклад в развитие целостного взгляда на мир.