Теорія відносності: основні ідеї та філософські підвалини (реферат)

Реферат

на тему:

Теорія відносності: основні ідеї та філософські підвалини

Теорія відносності є однією з провідних теорій нашого часу. Вона має
великий вплив на розвиток наукової думки, робить величезний внесок у
пізнання законів природи. Теорія відносності є основою не лише сучасної
фізики, але й науки в цілому.

Наукова творчість А. Ейнштейна є великим внеском у розвиток філософської
думки ХХ століття. Це пояснюється тим, що спеціальна та загальна теорія
відносності відіграють значну роль у формуванні наукової картини світу,
перебудові стилю наукового мислення, розробці нової дослідницької
програми та нових еталонів наукового пізнання. А. Ейнштейн глибоко
розмірковує над фундаментальними філософськими проблемами науки, що
виходять за межі фізики та набувають загальнофілософського сенсу. Теорія
відносності по-новому поставила й вирішила цілу низку проблем
просторово-часової структури світу, що мають важливе світоглядне
значення. Крім того, у її розвитку знайшли нові вирішення такі
теоретико-пізнавальні питання, як співвідношення емпіричного й
теоретичного, спостережуваного та неспостережуваного, тому теорія
відносності з моменту свого виникнення знаходиться в центрі уваги
філософії.

А. Ейнштейн створює теорію відносності завдяки узагальненню ідей фізики,
математики, філософії. На його світогляд вплинули мислителі античності,
засновники класичної механіки, електродинаміки. Істотний внесок у
розвиток цієї теорії роблять учені А. Лоренц й А. Пуанкаре.

Ось кілька фактів із його біографії. У 1900 закінчив Цюрихський
політехнікум. У1902 – 1908 працює експертом у патентному бюро в Берні.
Надалі веде педагогічну та наукову працю в Бернському, Цюрихському,
Празькому, Берлінському університетах. З 1933 працює в Прінстонському
інституті вищих досліджень (США). Лауреат Нобелівської премії з фізики
за важливі фізико-математичні дослідження, особливо за відкриття законів
фотоелектричного ефекту (1921).

У 1905 році у вересневому номері німецького журналу “Аннали фізики”
з’являється стаття “До електродинаміки рухомих тіл”, написана нікому не
відомим тоді автором, молодим експертом швейцарського патентного бюро в
Берні А. Ейнштейном. У ній містилися фундаментальні ідеї теорії
відносності.

Звернімося до філософських підвалин теорії відносності. До них можна
віднести такі епістемологічні, методологічні імперативи: принцип
спостережуваності, принцип простоти, принцип відповідності, принцип
симетрії та ін. Сюди ж входить принцип наперед установленої гармонії –
віра дослідника в раціональну природу реальності, що є реалізацією
найпростіших математично мислимих елементів.

Досить змістовною є дискусія двох найвидатніших мислителів ХХ століття
А. Ейнштейна та В. Гейзенберга з проблеми спостережуваності. Гейзенберг
стверджує, що наукові теорії повинні будуватися чітко на уявленнях про
об’єкти, що принципово спостерігаються, і вимірних величинах, вважаючи,
що такої точки зору дотримувався і сам Ейнштейн при створенні теорії
відносності. Ейнштейн, заперечуючи думку Гейзенберга, підкреслює, що,
можливо, він і підтримував “філософію такого роду”, але фактично це не
так. Значно пізніше (1935) у листі до відомого британського філософа
Карла Поппера (1902-1994) Ейнштейн, роз’ясняючи свою позицію з цього
питання, указує, що йому не подобається тенденція чіплятися за те, що є
спостережуваним. «Я вважаю тривіальним те, що ніхто не в змозі робити в
області атомних величин пророкування з будь-яким бажаним ступенем
точності, і я думаю, що теорія не може бути отримана з результатів
спостережень, але може бути тільки винайдена». Виходячи з цього,
Ейнштейн виражає впевненість у тому, що «із принципової точки зору
бажання будувати теорію тільки на величинах, що спостерігаються, геть
безглуздо». Згідно з Ейнштейном, теорія може базуватися й на величинах,
що принципово не спостерігаються, хоча в явному вигляді це положення ним
не сформульовано. Усі свої міркування з проблем спостережуваності
великий учений виражає в формі філософської тези: «Лише теорія вирішує,
що саме можна спостерігати». Дане твердження відіграє ключову роль у
сучасній філософії науки. Наукова теорія повинна дозволяти вимірювати не
лише величини, що прямо спостерігаються, але й величини, що
спостерігаються опосередковано, а саме, через функціональні залежності
від інших величин, шляхом спостереження останніх за допомогою
вимірювальних приладів, що забезпечують зв’язок теоретичного знання з
емпіричним.

А. Ейнштейн широко користується уявними експериментами під час розробки
проблем, пов’язаних із розширенням старої та формуванням нової наукової
картини світу.

Уявні експерименти дають можливість Ейнштейну провести аналіз деяких у
принципі можливих експериментальних ситуацій з метою перевірити,
уточнити й установити змістовний смисл гіпотези, згідно з якою швидкість
світла в вакуумі стала й не залежить від руху джерела світла. Ця
гіпотеза входить у суперечність із існуючими теоріями, які спираються на
ефір, що не спостерігається.

Які ж основні результати спеціальної теорії відносності? Вона підірвала
ньютонівські уявлення про час і простір. Якщо раніше стверджувалося, що
речі існують у часі та просторі, то теорія відносності довела, що зміна
швидкості руху речі веде до зміни її просторово-часових характеристик.
Резюмуючи досягнення теорії відносності в розвитку вчення про час,
простір і рух, Ейнштейн пише, що вона «призвела до чітких фізичних
уявлень про простір і час і в зв’язку з цим до з’ясування того, як
поводяться масштаби, що рухаються, і годинник. Вона усунула поняття
абсолютної одночасності, а також поняття миттєвої дії на відстані в
сенсі Ньютона. Вона показала, як потрібно змінити рівняння руху під час
розгляду рухів зі швидкістю, не дуже малою в порівнянні зі швидкістю
світла».

Величезною заслугою А. Ейнштейна є також створення загальної теорії
відносності (1916). Ця теорія, як і спеціальна теорія відносності, була
підготовлена попередніми дослідженнями. Вона являє собою логічний
розвиток основних положень спеціальної теорії відносності, причому
важливу роль тут відіграли дослідження німецького математика й фізика
Германа Мінковського (1864- 1909). Він висловлює глибоку філософську та
математичну думку про об’єднання трьох вимірів простору і часу в один
чотирьохмірний простір-час – «Світ Мінковського».

За допомогою загального принципу відносності, відповідно до якого всі
системи відліку, враховуючи й неінерційні, еквівалентні в описі природи,
Ейнштейн підходить до вивчення ще одного виду польової матерії –
гравітації. Вплив гравітаційного поля на рух тіл був відомий і раніше.
Однак пов’язаний із загальною теорією відносності фундаментально новий
результат полягає в тому, що гравітація діє на електромагнітне
випромінювання. «У гравітаційних полях, – стверджує Ейнштейн, – світлові
промені поширюються криволінійним шляхом». Цей теоретичний висновок
становить інтерес для Эйнштейна в двох відношеннях.

По-перше, його можна перевірити експериментальним шляхом. Викривлення
світлових променів у полі тяжіння, за підрахунками Ейнштейна, складає
1,75 кутові секунди. Це явище можна спостерігати під час повного
сонячного затемнення. Нам буде здаватися, що зірки поблизу Сонця
змістяться на дану величину стосовно свого дійсного положення.
«Перевірка правильності цього висновку, – звертає увагу Ейнштейн, –
являє собою завдання надзвичайної важливості й ми сподіваємося на швидке
рішення її астрономами».

25 лютого 1952 року завдяки сонячному затемненню знову виникла
можливість перевірити теорію Ейнштейна. Кілька груп учених вирушили до
міста Хартум (Судан), щоб установити явище викривлення променів світла в
гравітаційному полі за допомогою удосконаленої апаратури та більш точних
методів виміру. У результаті вимірів американські вчені отримали
величину 1,70 секунди. За Ейнштейном, основна цінність загальної теорії
відносності полягає не в тому, що вона підтверджується малими ефектами,
а в величезному спрощенні теоретичної основи, на якій виростає вся
фізика. Однак не всі зуміли правильно оцінити ці обставини.

По-друге, факт викривлення світлового променя в полі тяжіння свідчить
про те, що закон сталості швидкості світла в вакуумі складає одну з
підвалин спеціальної теорії відносності, має відносний характер. Він
порушує питання про межі застосування спеціальної теорії відносності.

Далеко не усі погоджувалися з ідеєю викривлення простору навколо Сонця
при проходженні променів світла. Деякі слухачі залишали лекції
Ейнштейна, невдоволено хитаючи головою.

Ейнштейнівська теорія гравітації дає задовільну інтерпретацію
викривлення світлових променів у гравітаційному полі Сонця з позиції
закону рівності важкої й інертної мас. З її допомогою вдається пояснити
“дивне” поводження планети Меркурій. Був помічений повільний круговий
рух його орбіти, що намагалися пояснити впливом на Меркурій важких
планет, у першу чергу, Юпітера. Однак відповідні обчислення, засновані
на ньютонівській теорії гравітації, не узгоджувалися з ефектом, що
спостерігається. Класична теорія гравітації дане відхилення пояснити не
могла. “Відповідно до загальної теорії відносності виходить, – пише
Ейнштейн, – що еліпс орбіти кожної планети повинен обертатися навколо
Сонця вищезазначеним методом і що це обертання для всіх планет, крім
Меркурія, занадто мале, щоб його можна було помітити при сучасній
точності спостережень».

У 1916 році Ейнштейн пророкує існування гравітаційних хвиль, досліджує
їх властивості, механізм виникнення. Доводить, що гравітаційні поля
(хвилі) поширюються зі швидкістю світла. Першу експериментальну спробу
знайти гравітаційні хвилі здійснює американський фізик Джозеф Вебер за
допомогою побудованих ним перших детекторів гравітаційних хвиль від
неземних джерел (1968). Його досліди успіху не мали.

Невловимі, гіпотетичні гравітаційні хвилі стають фізично вимірною
реальністю в найтонших експериментах доктора філософії по фізиці,
співробітника лабораторії фізики плазми Прінстонського університету
(США) Рассела Халсе (р. 1950) і професора фізичного факультету
Прінстонського університету Джозефа Тейлора (р. 1941). Відкриття
гравітаційного випромінювання (хвиль) відзначено Нобелівською премією
(1993).

Але існує й інша проблема – прийом гравітаційних хвиль, що приходять з
космосу. Ця задача технічно дуже складна. Для її вирішення необхідно
мати гігантські фізико-технічні пристрої.

Загальна теорія відносності вносить істотний вклад у фізичне вчення про
час і простір. З неї, наприклад, витікає, що “гравітаційне поле впливає
і навіть визначає метричні закони просторово-часового континуума”. У
загальній теорії відносності метрика і гравітація виявляються у певному
розумінні тотожними, тому що вони, у кінцевому рахунку, визначаються
розподілом мас.

Шістдесяті роки ХХ століття внесли новий імпульс у розвиток загальної
теорії відносності. У 1963 році відкриті квазари. Властивості цих
космічних об’єктів не укладалися в рамки існуючих уявлень. Квазари
віддаляються від нас з дуже великою швидкістю і при цьому виділяють
колосальну енергію, еквівалентну енергії, яка виділяється декількома
звичайними галактиками. Сучасна наука поки що не в змозі дати однозначну
відповідь на питання про природу і поводження подібних астрофізичних
об’єктів.

У 1967 році англійські вчені Е. Хьюіш і Д. Белл із Кембриджу знайшли
космічні утворення, які мають назву пульсари. Ці екзотичні об’єкти
випромінюють електромагнітні хвилі великої інтенсивності через строго
визначені інтервали часу. Передбачається, що пульсар – це нейтронна
зірка. Відкриття пульсарів свідчить про те, що зірки, як і Всесвіт у
цілому, еволюціонують. Їхній якісний стан змінюється під впливом
гравітації.

Проблема існування світу – Всесвіту, його еволюція, виявлення таких
властивостей як безкінечність і скінченність, необмеженість і
обмеженість завжди знаходилися в центрі уваги філософів, математиків,
фізиків. Космологічні проблеми з особливою гостротою постали перед
дослідниками в зв’язку зі створенням загальної теорії відносності.

Ейнштейн розглядає світ у його просторовій протяжності як замкнутий.
Методологічна ідея, а точніше гіпотеза про замкнутий Всесвіт складає
суть теорії тяжіння, це одне з найбільш радикальних припущень у
науковому пізнанні взагалі. Виходячи з астрономічних вимірів,
висувається положення про те, що така характеристика матерії як густина,
є величиною сталою у всьому Всесвіті.

Творчо розвиваючи ідеї Ейнштейна, геніальний радянський фізик і
математик Олександр Олександрович Фрідман (1888-1925) приходить до
нестаціонарної, динамічної моделі Всесвіту: до гіпотези замкнутого в
собі світового простору, радіус кривизни якого змінюється в часі (1922).
Це означало новий етап у розвитку космологічних аспектів загальної
теорії відносності.

“Сьогодні більшість астрономів користується теорією Фрідмана в трохи
зміненій формі, у тім вигляді, у якому її незалежно представили два
американських фізики, Говард П. Робертсон та Артур Уокер”, – пише
сучасний дослідник Всесвіту Баррі Паркер.

Теорія Фрідмана відкриває найграндіозніше за масштабом явище природи –
космологічне розширення. Вона витримує перевірку в дискусії з
Ейнштейном, потім знаходить прямий доказ і підтвердження в астрономічних
спостереженнях. Наукове співтовариство визнає теорію Фрідмана про
Всесвіт, який розширюється, і відкриття Едвіна Хаббла, як найважливіший
аргумент у її підтвердженні. 

Висновки А.А. Фрідмана про нестаціонарний, замкнутий Всесвіт критично та
глибоко аналізуються А. Ейнштейном. Він вважає результати Фрідмана
правильними і такими, що проливають нове світло на космологічну
проблему. Ейнштейн звертається до переосмислення своїх теоретичних
результатів і, слідом за Фрідманом, визнає Всесвіт, що розширюється,
тому що теорія вимагає розширення простору. Він також вважає, що світ
можна розглядати в його просторовій протяжності як замкнутий континуум.

А. Ейнштейн та А. Фрідман затверджують у космології принципово нову
модель світу, – замкнутий, пульсуючий Всесвіт.

Теорія відносності розкрила закономірності природи більш глибоко, ніж
класична фізика. Ньютонівське уявлення про світ було багато в чому
змінено під впливом фізичного вчення Ейнштейна. На його місці виросла
картина світу, у якій виявилися об’єднаними Матерія, Рух, Простір, Час,
що вважалися раніше роз’єднаними поняттями.

Таким чином, простір-час є уособленням найбільш загальних відносин
матеріальних об’єктів і поза матерією існувати не може. Це кардинальне
твердження загальної теорії відносності в розумінні природи
простору-часу яскраво формулює А. Ейнштейн у бесіді з кореспондентом
американської газети “Нью-Йорк Таймс” (1921). Відповідаючи на питання, у
чому полягає сутність теорії відносності, великий мислитель сказав так:
“Суть така: раніше вважали, що, якщо яким-небудь чином усі матеріальні
речі раптом зникли б, то простір і час залишилися б. Відповідно до
теорії відносності разом з речами зникли б і простір, і час”. Простіше і
наочніше, мабуть, не можна сформулювати нерозривний зв’язок матерії,
руху, простору і часу. Простір і час виступають способом існування
фізичного світу. Ця теорія зробила величезний якісний крок в осмисленні
структури Всесвіту.

Об’єктивність теорії відносності пояснюється також відповідністю її
теоретичних висновків експериментальним показникам та фактам і
застосуванням цих висновків на практиці. Дійсно, спеціальна теорія
відносності є не тільки теоретичним фундаментом сучасної фізики. Без неї
не можна сьогодні вирішувати багато конкретних науково-дослідних та
інженерних завдань, зокрема атомної енергетики та прискорювальної
техніки фізики елементарних частинок. Спеціальна теорія відносності
успішно застосовується сьогодні у фізиці атома, ядра, елементарних
частинок.

Теорія відносності різко підвищила імпульс дослідників до філософської
проблематики. Вона показує необхідність методологічного і
епістемологічного аналізу понятійного апарату фізичної науки. Ейнштейн
зауважує в зв’язку з цим: “Спеціальна теорія відносності привела до
значних успіхів. Вона примирила механіку з електродинамікою. Вона
скоротила кількість логічно незалежних гіпотез в електродинаміці. Вона
зробила неминучим методологічний аналіз основних понять. Вона об’єднала
закони збереження імпульсу й енергії, виявила єдність маси й енергії”.
Теорія відносності разом із квантовою механікою є новим етапом у
революційній зміні понять класичної фізики. У полі зору теорії
відносності виявилися не тільки поняття, безпосередньо пов’язані з
матерією: поле, речовина, ефір, маса та ін. Вона кардинально
переосмислює уявлення про простір, час, рух. Загальна теорія відносності
торкається ряду глибоких космологічних проблем.

А. Ейнштейн надає великої уваги теоретико-пізнавальним, епістемологічним
проблемам нового знання, пошукові шляхів побудови наукових теорій,
виявленню місця і ролі теоретичних методів і принципів у цьому складному
суперечливому процесі. Якщо вчений знаходиться в області достовірних
фактів і емпіричних закономірностей, то найчастіше він зазнає великих
труднощів у виробленні загальних тверджень і понять. Він мовби “застигає
в безпомічному стані перед одиничними результатами емпіричного
дослідження доти, доки не розкриються принципи, які він зможе зробити
основою для своїх дедуктивних побудов”. Тому, підкреслює А. Ейнштейн,
творча діяльність дослідника повинна бути спрямована на те, щоб
відшукати у природі чітко сформульовані загальні принципи, що відбивають
визначені загальні риси величезної кількості експериментально
встановлених фактів”. При побудові теорії відносності вдається “вивідати
в природи” такі принципи: принцип сталості швидкості світла,
узагальнений принцип відносності, принцип еквівалентності. До таких
загальних положень відноситься гіпотеза М. Планка про квант дії та ін.
Вони відіграють евристичну роль, ведуть до більш глибокого і повного
знання, розкривають нові сторони і грані фізичного світу.

Теорія відносності пов’язана з філософією. Результати, отримані нею,
мають не тільки природничо-наукове, але і загальнофілософське значення.
Вони збагачують наші філософські уявлення про світ, поглиблюють наші
знання про властивості і закономірності матеріального світу. Усе це дає
підставу стверджувати про значну методологічну цінність теорії
відносності в розвитку наукового пізнання. Наукові досягнення А.
Ейнштейна і його глибокі філософські міркування про закономірності
розвитку науки вплинули на філософію науки і філософію ХХ століття в
цілому.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *