Принцип соответствия в физике

Специальная теория относительности, как мы видели, относится к инерциальным системам, то есть к системам, движущимся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. Ее содержание сводится, в основном, к рассмотрению того, как изменяются кинематические и динамические характеристики движения (длина, время, масса, импульс, сила и др.) при переходе из системы в систему. В классической динамике этот вопрос не стоял: считалось,что время, длина, масса одинаковы во всех системах координат, движущихся относительно друг друга.

Нетрудно видеть, что соотношения теории относительности для этих величин (5.8, 5.17, 5.18, 5.46) переходят в классические, то есть практически дают равенство этих величин, если скорость относительного движения систем отсчета существенно меньше скорости света. Иначе говоря, классическая механика является лишь частным случаем другой, более общей механики. Возникшая в 1905 году новая теория включила старую, как часть, и указала границы ее применимости.

Вот что пишет об этом А. Эйнштейн: "Создание новой теории не похоже на разрушение старого амбара и возведение нового небоскреба. Оно скорее похоже на восхождение в гору, которая открывает новые и широкие виды, показывающие неожиданные связи между нашей отправной точкой и ее богатым окружением. Точка, от которой мы отправлялись, существует и видна, хотя она кажется меньше и составляет крохотную часть открывшегося нашему взору обширного ландшафта" [].

В связи с развитием несколько позднее появившейся квантовой механики Нильс Бор, датский физик, выдвинул в 1923 году принцип, который назвал принципом соответствия. В нем речь идет о том, что никакая новая теория не может аннулировать старую, проверенную опытом. Все физические следствия новой теории должны совпадать с выводами старой в предельных случаях. Область применения новой теории будет шире, и новая теория должна включать в себя старую, как часть. Как видим, специальная теория относительности отвечает этому принципу. В дальнейшем мы будем иметь возможность проследить выполнение этого принципа на законах квантовой механики.

Специальная теория относительности интересна еще и в общефилософском плане: вспомним, что обнаружить движение системы, находясь внутри нее, невозможно. Не удалось обнаружить и движение Земли относительно эфира, с которым связывали абсолютное пространство, введенное Ньютоном в его механике: " Абсолютное пространство в силу своей природы и безотносительно к какому-либо объекту всегда остается одинаковым и неподвижным... это огромное и пустое вместилище Бога " []. Эфир в опытах Майкельсона обнаружен не был, следовательно, абсолютного пространства не существует, оно относительно, то есть зависит от движения системы отсчета.

Более того, у Ньютона существовало понятие абсолютного времени, по которому текут события в этом абсолютном пространстве, и которое одинаково для любых систем отсчета, движущихся в нем. Преобразования Галилея используют это абсолютное время. " Оно протекает равномерно и безотносительно к какому-либо объекту, всегда от прошлого к будущему "– так определил его Ньютон. Это абсолютное время в специальной теории относительности заменено относительным временем, по-разному протекающим в различных системах отсчета.

Новые, релятивистские представления об этих философских категориях созвучны тому определению, которое дал им современник Ньютона, математик и философ Лейбниц:" Пространство и время не являются самостоятельными объектами, а есть лишь форма координации событий (время) и тел (пространство) " [].

Специальная теория относительности содержит еще один, весьма существенный для новых разделов физики вывод, касающийся связи массы и энергии. Прежде всего, этот вывод приводит к новому представлению об излучении. Оказывается, что оно, так же, как и все окружающие нас тела, обладает массой, то есть, по словам Эйнштейна, "передает инерцию". При излучении электромагнитной волны масса излучающего тела уменьшается, поглощающего – возрастает, то есть меняется инертность этих тел. Поскольку наиболее интенсивное излучение имеет место в процессах, протекающих в ядрах атомов, современная ядерная физика не может обходиться без соотношения E = mc², определяющего связьмежду массой и энергией.

Помимо прикладного значения, соотношение между массой и энергией привело к коренному изменению наших представлений об энергии. Если раньше энергией называли некую физическую величину, характеризующую способность тела совершать работу, то в теории относительности она приобретает зримые, осязаемые черты.

Мы знаем из механики, что всякое тело сопротивляется изменению его движения: чем больше масса, тем сильнее сопротивление, чем меньше масса, тем оно слабее. Но в теории относительности мы имеем нечто большее. Сопротивление изменению движения возрастает не только с увеличением массы тела, но и с увеличением его скорости. В классической механике сопротивление данного тела (инерция) есть нечто неизменное, характеризуемое только его массой. В теории относительности оно зависит и от массы покоя, и от скорости. Энергия сопротивляется изменению движения так же, как и весомая масса. Справедливо ли это и в отношении всех видов энергии? Да, всякая энергия ведет себя подобно веществу: кусок железа весит больше, если он нагрет; излучение, испускаемое Солнцем, содержит энергию и потому имеет массу. "Энергия не невесома, но по отношению к массе подобна обесцененной валюте: количество теплоты, способное превратить тридцать тысяч тонн воды в пар, весило бы около одного грамма" – пишет Эйнштейн [].

Помимо этого, выводы специальной теории относительности позволили иначе взглянуть на некоторые разделы физики. Так, например, раздел о магнитных полях представлял из себя лишь набор некоторых экспериментальных законов. Следствия теории относительности – в частности, преобразование силы при переходе из системы в систему – позволили подойти ко всяким явлениям, связанным с магнитными полями, иначе: магнетизм оказался релятивистским эффектом. Используя преобразование поперечной силы, можно последовательно и логически получить все законы электромагнетизма. Это будет сделано в соответствующем разделе второй части "Курса лекций".

Помимо частной (специальной) теории относительности Эйнштейн создал еще общую теорию относительности, имеющую место в ускоренных системах. Ее называют иногда теорией тяготения, поскольку она дает логическое обоснование происхождения тяготения. Равенство инертной и тяготеющей масс в этой теории не является случайным фактом, а обосновано. Теория приложима к большим массам. Выше упоминалось, что она привела к гипотезе расширяющейся Вселенной. Выводы теории дали совпадающие с опытом результаты.

В заключение заметим, что обе теории относительности – лишь часть того, что сделал в науке А. Эйнштейн.