1. Створення спеціальної теорії відносності (СТО)
1.1.Фундаментальние протиріччя в підставах класичної механіки
Після створення теорії електромагнітного поля і експериментального доказу його реальності перед фізикою постало завдання з'ясувати, чи поширюється принцип відносності руху (сформульований у свій час ще Галілеєм) на явища, притаманні електромагнітного поля. Принцип відносності Галілея був справедливий для механічних явищ. У всіх інерціальних системах (тобто рухаються прямолінійно і рівномірно один по відношенню до одного) застосовні одне й ті ж закони механіки. Але чи справедливий цей принцип, встановлений для механічних рухів матеріальних об'єктів, для немеханічних явищ, особливо тих, які представлені польовою формою матерії, зокрема електромагнітних явищ? Коріння теорії відносності лежать саме в цьому комплексі проблем фізики кінця ХІХ століття.
Відповіді на ці питання лежали в галузі вивчення закономірностей взаємозв'язку рухомих тіл з ефіром, але не як з механічною середовищем, а як із середовищем, що є носієм електромагнітних коливань. Віддалені витоки такого роду досліджень складалися ще у ХVIII столітті в оптиці рухомих тел. Вперше питання про вплив руху джерел світла та приймачів, що реєструють світлові сигнали, на оптичні явища виник у зв'язку з відкриттям аберації світла англійським астрономом Брадлеем в 1728 р.
Питання про вплив руху джерел і приймачів світла на оптичні явища для хвильової теорії світла був значно більш складним, ніж для теорії, заснованої на уявленні про корпускулярну природу світла. Вирішення цього питання вимагало введення ряду припущень. Ці гіпотетичні припущення стосувалися явищ, які було дуже складно з'ясувати в досвіді: як взаємодіють вагомі тіла і ефір (вважали, що ефір проникає в тіла); відрізняється ефір всередині тіл від ефіру, що знаходиться поза ними, і якщо відрізняється, то чим; як веде себе всередині ефір тіл при їх русі, і т. д. відроджує хвильову теорію світла на початку XIX ст. Т. Юнг, торкаючись питань оптики рухомих тіл, вже звернув на це увагу. Він зазначив, що явище аберації світла може бути пояснено хвильової теорії світла, якщо припустити, що ефір всюди, в тому числі й усередині рухомих тіл, залишається нерухомим. У цьому випадку явище аберації пояснюється, як і в корпускулярної теорії світла.
У 1846 р. англійський вчений Стокс розробив нову теорію аберації на основі аналогій з гідродинаміки. Він виходив із припущення, що Земля при своєму русі повністю захоплює навколишній її ефір, так що швидкість ефіру на поверхні Землі в точності дорівнює її швидкості. Але подальші шари ефіру рухаються все повільніше і повільніше, і ця обставина і викликає викривлення хвильового фронту, що й сприймається як аберація. Із цієї теорії випливає, що в будь-яких оптичних дослідах, проведених на Землі, не може бути виявлена швидкість її руху.
Існувала і третя точка зору. Вона належала Френелю, якому прийшла дуже цікава ідея про часткове захоплення ефіру рухомими тілами. Френель показав також, що коефіцієнт захоплення має порядок (v / c) І, а значить досвідчена перевірка цієї ідеї потребує дуже точного експерименту.
Порівнюючи свою теорію з теорією Френеля, Стокс вказував, що ці теорії хоч і грунтуються на протилежних гіпотезах, але практично призводять до одних і тих же результатів.
Принципова сторона питання зводилася по суті до двох можливих гіпотетичним допущення. Перше припущення полягало в тому, що ефір повністю захоплюється рухається системою.
Цілий ряд дослідів, які були поставлені ще в ХІХ столітті, показав, що швидкість світла завжди однакова в усіх системах координат, незалежно від того, чи рухається випромінює джерело чи ні, і незалежно від того, як він рухається. Таким чином, гіпотеза про те, що ефір повністю захоплюється рухається системою дозволяла дотримуватися принципу відносності, але тим не менше суперечила досвіду.
Друге припущення прямо протилежно першому: рухома система проходить через ефір, не захоплюючи його. Це припущення по суті ототожнює ефір з абсолютною системою відліку і призводить до відмови від принципу відносності Галілея, адже в системі координат, пов'язаної з ефірним морем, закони природи відрізняються від законів у всіх інших системах.
Таким чином, тільки в одній системі координат, яка пов'язана з нерухомим ефірним морем, швидкість світла була б однакова в усіх напрямках. У будь-якій іншій системі, що рухається щодо ефірного мирян, вона залежала б від напрямку, в якому відбувалося вимір. А це означає, що для того, щоб перевірити цю другу гіпотезу, необхідно виміряти швидкість світла у двох протилежних напрямках. Для цього скористалися рухом Землі навколо Сонця: швидкість світла в напрямку руху Землі відрізнялася б від швидкості світла в протилежному напрямку.
Очевидно, що якщо Земля не захоплює при своєму русі навколишній ефір, то в першому випадку ця швидкість дорівнює з1 = з - n = c (1 - n / c), а в другому випадку с2 = c (1 + n / c), де n - швидкість Землі. Таким чином, різниця у швидкості світла в першому і другому випадках першого порядку малості щодо n / c. Проте для проведення такого досвіду потрібно вміти вимірювати час, необхідний для проходження світлом відомого відстані в певному напрямку, наприклад в напрямку руху Землі. А це завдання експериментально нерозв'язна. Тому у всіх проведених на Землі дослідах з визначення швидкості світла ця швидкість визначається за часом, що потрібно для проходження світлом відстані в прямому і зворотному напрямках. Отже, для того щоб визначити вплив руху Землі на швидкість світла, залишається можливість порівняти час проходження світлом певної відстані L туди і назад один раз уздовж руху Землі, а іншим разом, в напрямку, перпендикулярному цьому руху. Але в цьому випадку різниця в часі в першому і другому випадках є величиною вже другого порядку малості щодо n / с, тобто величиною порядку n 2/с2.
Таким чином, хоча принципово за допомогою експерименту і можна вирішити питання про поведінку ефіру при русі Землі, тим не менше внаслідок малості величини n 2/с2 "10-8, очікуваний ефект повинен бути надзвичайно малий. І проте такий експеримент був в 1887 р. здійснено Майкельсона і Морлі. Результати цього експерименту достовірно свідчили, що швидкість світла не відчуває впливу руху Землі.
Це поставило друге допущення у виключно скрутне становище. Для того, щоб врятувати його Фітцджеральд і незалежно від нього Лоренц висловили в 1892 р. оригінальну гіпотезу. Суть її полягає в тому, що негативний результат досвіду Майкельсона - Морлі може бути пояснена тим, що кожне рухоме в ефірі тіло скорочує свої розміри в напрямку свого руху щодо ефіру. Відповідно до цієї гіпотези, розміри тіл при русі в ефірі зменшуються в напрямку руху в 1: (1-n 2/с2) 1 / 2 разів. Ця гіпотеза спільно з гіпотезою неувлекаемого, усюди нерухомого ефіру чисто формально пояснювала негативний результат досвіду Майкельсона. Але жодних розумних теоретичних міркувань про причини зміни розмірів тіл вона не висувала. Більш того, гіпотеза Фітцжеральда - Лоренца припускає, що взагалі не існує ніяких (ні емпіричних, ні теоретичних) коштів, які давали можливість б вирішити питання про те, чи рухається тіло щодо ефіру або спочиває.
Таким чином, до рубежу ХІХ-ХХ століть розвиток фізики призвело до усвідомлення протиріч і несумісності трьох принципових підстав класичної механіки:
1. Швидкість світла в порожньому просторі завжди постійна, незалежно від руху джерела або приймача світла.
2. У двох системах координат, що рухаються прямолінійно і рівномірно один щодо одного, всі закони природи суворо однакові, і немає ніякого засобу виявити абсолютний прямолінійний і рівномірний рух (принцип відносності).
3. Координати та швидкості перетворюються від однієї інерціальної системи до іншої згідно класичним перетворенням Галілея.
Було ясно, що ці три положення не можуть бути логічно об'єднані один з одним, оскільки вони несумісні. Довгий час усі зусилля багатьох фізиків були спрямовані на те, щоб спробувати якимось чином змінити перші два з цих трьох положень, залишивши незмінним третім як само собою зрозумілий. З іншого боку, чималі зусилля були витрачені на те, щоб дослідним шляхом, постановкою безлічі експериментів довести вірність, істинність перших двох положень. Врешті-решт з'явилася навіть ідея заміни перетворень Галілея, але вона виступила лише у вигляді гіпотези adhoc.
Французький математик і фізик Анрі Пуанкаре (1854 - 1912) звернувся до проблем, розглянутим Лоренцем. На відміну від останнього, Пуанкаре відразу виходив з принципу відносності, який він поширив на оптичні і будь-які явища природи. Пуанкаре найближче підходив до основних уявленням теорії відносності, а в розробці математичного апарату він був навіть попереду Ейнштейна. Але Пуанкаре так і не зважився на повний розрив з класичними принципами і уявленнями, хоча і був близький до цього.
Внутрішньою логікою свого розвитку фізика підводилася до необхідності знайти нестандартний новий шлях у вирішенні фундаментальних протиріч в її принципових підставах. Цей шлях і був знайдений великим фізиком ХХ ст. А. Ейнштейном (1879 - 1955).
1.2. Створення А. Ейнштейном спеціальної теорії відносності (СТО)
У вересні 1905 р. в німецькому журналі "Аппа1еп der Physik" з'явилася робота Ейнштейна "До електродинаміки рухомих тіл". Ейнштейн сформулював основні положення спеціальної теорії відносності, яка пояснювала і негативний результат досвіду Майкельсона - Морлі, і сенс перетворень Лоренца, і, крім того, містила новий погляд на простір і час.
Ейнштейн пішов по третьому з трьох можливих шляхів подолання протиріч в принципових засадах класичної механіки (перші два були вичерпані Г. Герцом і Лоренцем). Ейнштейн прийшов до переконання, що необхідно зберегти як вірних два перші затвердження (принцип сталості швидкості світла і принцип відносності), але відмовитися від перетворень Галілея. І справа не просто в тому, щоб чисто формально замінити їх іншим перетворенням. Він побачив, що за перетвореннями Галілея криється певне уявлення про просторово-часових співвідношеннях, яке не відповідає фізичному досвіду і реальним просторово-тимчасовим співвідношенням речей. Таким найбільш слабкою ланкою принципових підстав класичної механіки було уявлення про абсолютну одночасності подій. Цим поданням, не усвідомлюючи його складної природи, не експліціруя, і користувалася класична механіка.
Появі статті Ейнштейна "До електродинаміки рухомих тіл", в якій вперше були викладені основи теорії відносності, передувало, за словами самого автора, 7 - 10 років наполегливих роздумів над проблемою впливу руху тіл на електромагнітні явища. Перш за все, Ейнштейн прийшов до твердого переконання про загальність принципу відносності, тобто до висновку, що і відносно електромагнітних явищ, а не тільки механічних, всі інерціальні системи координат абсолютно рівноправні. Одночасно з принципом відносності, Ейнштейну здавалося ясним і існування інваріантності швидкості світла у всіх інерціальних системах відліку. У своїх спогадах він пише, що ще в 1896 р. у нього "виникло питання: якщо б можна було погнатися за пучком зі швидкістю світячи, то мали б ми перед собою не залежне від часу хвильове поле? Таке все-таки здається неможливим! ". Таким чином, Ейнштейн, мабуть, ще в молодості прийшов також до принципу, згідно з яким у всіх інерціальних системах швидкість поширення світлової хвилі однакова.
Як же можна поєднати ці два принципи? Одночасне їх дію здається неможливим. Проте з цього парадоксального становища Ейнштейн знаходить вихід, аналізуючи поняття одночасності. Такий аналіз підводить його до висновку про відносний характер цього поняття. В усвідомленні відносності одночасності полягає цвях всієї теорії відносності, висновки якої, у свою чергу, призводять до необхідності перегляду понять простору і часу - основоположних понять всього природознавства.
У класичній фізиці завжди вважали, що можна просто говорити про абсолютну одночасності подій відразу у всіх точках простору. Ейнштейн переконливо показав невірність цього подання.
Але якщо ввести таке визначення одночасності, то внаслідок кінцевої швидкості поширення світла це поняття стає відносним. Інакше кажучи, одночасні події в одній системі не будуть одночасними в іншій системі, що рухається щодо першої системи.
Дійсно, нехай у точках А і В, розташованих на відстані L один від одного, знаходяться нерухомі годинник, які синхронізовані за правилом, наведеним вище. Нехай тепер спостерігач, що рухається щодо годин з постійною швидкістю v в напрямку АВ, захоче перевірити синхронність ходу годинника. Він повинен вважати час руху сигналу від А до В рівним tB - tA = L / (c - n), а проміжок часу руху сигналу в зворотному напрямку tA - tB = L / (c + n). Але принцип сталості швидкості світла припускає, що швидкість світла щодо рухомого спостерігача незмінна і дорівнює с. Значить не існує способів встановлення синхронності годин; годинник, синхронні для покоїться спостерігача, перестають бути синхронними, коли він рухається по відношенню до системи, в якій покояться годинник. Отже, поняття одночасності відносне. Події, які є одночасними для одного спостерігача, не одночасні для іншого спостерігача, що рухається щодо першого.
Нове розуміння одночасності, усвідомлення її відносності приводить до необхідності визнання відносності розмірів тіл. Щоб виміряти довжину тіла, потрібно відзначити його межі на масштабі одночасно. Однак що одночасно для нерухомого спостерігача, вже не одночасно для рухомого, тому й довжина тіла, виміряна різними спостерігачами, які рухаються відносно один одного з різними швидкостями, повинна бути різна.
На наступному етапі становлення спеціальної теорії відносності цим загальним ідейним міркуванням Ейнштейн надає математичну форму і, зокрема, виводить формули перетворення координат і часу - "перетворення Лоренца". Але у Ейнштейна ці перетворення вже мають інший зміст. Одне і те ж тіло має різну "справжню" довжину, якщо воно рухається з різною швидкістю відносно масштабу, за допомогою якого ця довжина вимірюється. Те ж саме відноситься і до часу. Проміжок часу, протягом якого триває якийсь процес, різний, якщо вимірювати його рухаються з різною швидкістю годинами. У теорії Ейнштейна розміри тіл і проміжки часу втрачають абсолютний характер, який їм приписували раніше, і набувають сенсу відносних величин, що залежать від відносного руху тіл і інструментів, за допомогою яких здійснювалося їх вимір. Вони набувають такої ж сенс, який мають вже відомі відносні величини, такі, як, наприклад, швидкість, траєкторія і т. п. Таким чином Ейнштейн приходить до висновку про необхідність зміни просторово-часових уявлень, які вироблені класичної фізикою.
Крім формул перетворень координат і часу Ейнштейн отримує також релятивістську формулу складання швидкостей, показує, що маса тіла також є відносною величиною, що залежить від швидкості. Крім того, Ейнштейн показує, що між масою тіла і його повною енергією існує певне співвідношення. Він формулює наступний закон: "маса тіла є міра міститься в ньому енергії" у співвідношенні E = mc І.
Створення СТО було якісно новим кроком у розвитку фізичного пізнання. СТО відрізняється від класичної механіки тим, що спостерігач із засобами спостереження органічно входить в фізичний опис релятивістських явищ. Опис фізичних процесів в СТО істотно пов'язане з вибором системи координат. Фізична теорія описує не фізичний процес сам по собі, а результат взаємодії фізичного процесу із засобами дослідження. Звертаючи на це увагу, А. Ейнштейн у своїй статті "До електродинаміки рухомих тіл" (1905 р.) пише: "Судження будь-якої теорії стосуються співвідношень між твердими тілами (координатними системами), годинами і електромагнітними процесами". У СТО, в якій склалося усвідомлення того, що не можна дати опис фізичного процесу самого по собі, можна тільки дати його опис по відношенню до певної системи відліку, вперше в історії фізики безпосередньо проявився діалектичний характер процесу пізнання, активність суб'єкта пізнання, невідривне взаємодія суб'єкта і об'єкта пізнання.
2.Створення і розвиток загальної теорії відносності (ЗТВ)
2.1.Прінціпи і поняття ейнштейнівської теорії гравітації
Класична механіка і СТО формулюють закономірності фізичних явищ тільки в інерційних системах відліку. Разом з тим, ні класична механіка, ні СТО не дають коштів для реального виділення таких інерціальних систем. Виходило так, що закони фізики справедливі лише для деякого досить вузького класу систем координат (інерціальних). Цілком закономірно виникла проблема, як поширити закони фізики і на неінерційній системи. Після створення СТО Ейнштейн почав замислюватися над поширенням принципу відносності на випадок неінерційній систем. Виникає питання: на якому шляху можна здійснити цю ідею?
Можливість реалізації цієї ідеї Ейнштейн побачив на шляху узагальнення принципу відносності руху - поширення принципу відносності не тільки на швидкість, але і на прискорення рухомих систем. Якщо відмовитися від приписування абсолютного характеру не тільки швидкість, а й прискоренню, то в такому випадку виділений класу інерціальних систем втратить свій сенс, і можна так формулювати фізичні закони, щоб їх формулювання мала зміст стосовно будь-якої системи координат. Це і є зміст загального принципу відносності. Це означає, що точно так само, як не можна говорити про швидкість тіла взагалі, безвідносно до якого-небудь тіла У, так, очевидно, і прискорення має конкретний зміст по відношенню до деякого фактору, що викликає і визначає його.
До Ейнштейна існувало дві точки зору на причини, що породжують інерціальні сили в прискорених системах. Ньютон вважав, що таким фактором є абсолютний простір, а Е. Мах - дія загальної маси Всесвіту (див. 8.1.3.). Ейнштейн пішов іншим шляхом - шляхом розширення принципу еквівалентності сил інерції та сил тяжіння (інертної і гравітаційної мас) на оптичні явища.
Еквівалентність інертної і гравітаційної мас в класичній механіці була відома. Ще Галілей встановив, що всі тіла на Землі, якщо не враховувати опір повітря, падають з одним і тим же прискоренням. Ньютон підтвердив цей висновок дослідами з маятниками. У 1890 р. угорський фізик Етвеш перевірив цей факт з великим ступенем точності (до 1 0 n, де n = - 9). (Зараз ця точність піднята до n = - 1 2).
Деякими фізиками висловлюється думка, що гравітаційна і інертна маси завжди рівні і мають одну і ту ж природу. Але так як відповідно до теорії відносності енергія володіє інерцією, то вона повинна мати і вагою. Ейнштейн також звертається до цієї проблематики і замислюється про те, чи не чи має енергія також важкої (гравитирующей) масою і вже в 1911 р. і приходить до нових результатів і ідеям, які потім лягли в основу загальної теорії відносності.
У центрі його роздумів виявилося питання: чи можна оцінювати рух рівноприскореному системи S 'по відношенню до інерціальній системі S як перебування у відносному спокої? Теоретичний аналіз підводить його до висновку, що дві системи відліку, одна з якої рухається прискорено, а інша хоча і спочиває, але в ній діє однорідне поле тяжіння, щодо механічних явищ еквівалентні і невиразні. Це твердження Ейнштейн ілюструє прикладом, у якому спостерігач, що знаходиться в закритому ліфті, не може визначити, чи рухається прискорено ліфт чи всередині нього діють сили тяжіння. Еквівалентність, існуючу між прискоренням і однорідним полем тяжіння, яка справедлива для механіки, Ейнштейн вважає можливим поширити на оптичні і взагалі будь-які фізичні явища. Цей розширений принцип еквівалентності і був покладений ним в основу загальної теорії відносності. У наступні роки Ейнштейн, продовжуючи розвивати ці ідеї, створив нову теорію, яку назвав загальною теорією відносності. Побудова цієї теорії він закінчив у 1916 р.
З точки зору ОТО простір не має постійної (нульовий) кривизною. Кривизна його змінюється від точки до точки. Кривизна простору визначається полем тяжіння. Можна сказати більше: поле тяжіння є не чим іншим, як відхиленням властивостей реального простору від властивостей ідеального евклідового простору. Величина поля тяжіння в кожній точці визначається значенням кривизни простору в цій точці. Таким чином, рух матеріальної точки в полі тяжіння можна розглядати як вільне "Инерциальное" рух, але те, що відбувається вже не в евклідовому, а в просторі зі змінною кривизною. У результаті, рух крапки вже не є прямолінійним і рівномірним, а відбувається з геодезичної лінії викривленого простору. Звідси випливає, що рівняння руху матеріальної точки, а також і променя світла повинно бути записано у вигляді рівняння геодезичної лінії викривленого простору.
Для визначення кривизни простору необхідно і достатньо знати вираз для компонент т.зв. фундаментального тензора, який в теорії Ейнштейна аналогічний потенціалу в теорії тяжіння Ньютона. Завдання, отже, полягає в тому, щоб, знаючи розподілу тяжіють мас у просторі, визначити функції координат і часу (компонентів фундаментального тензора); тоді можна записати рівняння геодезичної лінії і вирішити проблему руху матеріальної точки, проблему поширення світлового променя і т. д. Ейнштейн вирішив це завдання і знайшов спільне рівняння гравітаційного поля, яке в класичному наближенні переходило в закон тяжіння Ньютона. Таким чином, проблема тяжіння була вирішена їм у загальному вигляді.
ОТО кардинально відрізняється від попередніх їй фундаментальних фізичних теорій. Вона відмовляється від цілого ряду старих понять, формулюючи разом з тим нові поняття. Так, ОТО відмовляється від понять "сила", "потенційна енергія", "інерціальна система", "Евкліда характер простору-часу" та ін Зате вводяться нові поняття. Оскільки в гравітаційних полях не існує твердих тіл, і хід годинника залежить від стану цих полів, то ОТО змушена користуватися нежорсткими (деформуються) тілами відліку. Така система відліку (її називають "молюском відліку") може рухатися довільним чином і її форма може змінюватися, використовувані годинник може бути зі як завгодно нерегулярним ходом. У той же час ОТО поглиблює поняття поля, пов'язуючи воєдино поняття інерції, гравітації і метрики простору-часу, зберігає інваріантний зміст понять точка (просторово-тимчасове збіг) просторово-часової континуум кінцевого числа вимірів (встановлюючи його Ріманом характер) та ін
2.2. Експериментальна перевірка ОТО
ОТО стала фундаментом для виявлення нових загальних властивостей і закономірностей Всесвіту. Першим її успіхом було пояснення відкритої ще в 1859 р. (і незрозумілою з точки зору класичної теорії) додаткової швидкості руху перигелію Меркурія (близько 4 3 "на століття) під впливом гравітаційного поля Сонця. Відповідно до ОТО, результатом дії поля тяжіння є те , що рух матеріальної точки, так само як і розповсюдження світлового променя, вже не є рівномірним і прямолінійним. Поширення висновків ОТО на оптичні явища призводить до ряду незвичайних наслідків: явищу червоного зсуву спектрів зірок і відхилення світлового променя під дією цього поля.
Таким чином, у ВІД був отриманий новий фундаментальний результат: швидкість світла не є постійною величиною, вона змінюється, коли світло проходить полі тяжіння, збільшуючись чи зменшуючись у залежності від взаємного напрямку поширення світла та напрямку сил тяжіння. Звідси, зокрема, випливає, що промінь світла, проходячи повз тіла, що володіє сильним полем тяжіння, повинен викривлятися, якщо його напрямок не співпадає з напрямом сили тяжіння. Цей ефект може бути виявлений. При спостереженні сонячного затемнення можна порівняти становище групи зірок, що знаходяться на небесній сфері поблизу Сонця під час його затемнення (коли їх можна спостерігати), з положенням цієї ж групи зірок вночі. У першому випадку світлові промені від цих зірок, проходячи біля поверхні Сонця, повинні викривлятися в його гравітаційному полі, отже, спостерігатиметься зміщеними відносно їх звичайного положення на небесній сфері.
Досліди з вимірювання відхилення променів світла, що проходять біля Сонця, мали велике значення для широкого визнання загальної, а разом з нею і спеціальної теорії відносності. У 1919 р. одна англійська експедиція попрямувала до Бразилії, а інша - на один з островів, розташованих біля африканського материка, для перевірки цього ефекту. Спостереження обох експедицій підтвердили існування ефекту Ейнштейна. Передбачуване зсув групи зірок, видимих близько Сонця під час затемнення, дійсно мало місце, хоча точність вимірювань була невелика. Проведені в 1922 р. нові виміри також підтвердили існування ефекту, передбаченого теорією Ейнштейна.
Інший результат, отриманий в теорії Ейнштейна, - наявність червоного зміщення в спектрах небесних тіл - був підтверджений Сент-Джоном у 1923 - 1926 рр.. при спостереженні спектру Сонця. У 1925 р. Адамс підтвердив висновки теорії, спостерігаючи спектр супутника Сіріуса, що володіє надзвичайно великим полем тяжіння.
Таким чином, експериментальних підтверджень загальної теорії відносності надзвичайно мало: зміни орбіти Меркурія, червоне зміщення для світла, викривлення променів світла поблизу Сонця, обумовлене кривизною простору. Згода теорії з досвідом досить гарна, але чистота експериментів порушується різними складними побічними впливами.
2 3. Сучасний стан теорії гравітації і її роль у фізиці ХХ століття
Загальна теорія відносності зіграла у фізиці ХХ століття особливу і своєрідну роль.
По-перше, вона являє собою теорію тяжіння, хоча, можливо, і не цілком закінчену, не позбавлену деяких недоліків. Це проявляється в тому, що математичний апарат теорії настільки складний, що майже всі завдання, крім найпростіших, виявляються нерозв'язними. Труднощі почасти полягає в тому, що гравітація - це вид енергії і тому вона сама є власним джерелом енергії; гравітація як фізичне поле сама має (як, наприклад, і електромагнетизм) енергією та імпульсом, а значить, і масою. Зважаючи на такі труднощів (можливо, вони швидше технічного характеру, але може бути і принципового) вчені до цих пір - через 80 років після того, як була сформульована загальна теорія відносності, - все ще намагаються розібратися в її розумінні.
Тому цілком закономірно і те, що у ХХ столітті фізики продовжували спроби створення альтернативних теорій тяжіння. Їх створено вже понад 20. Деякі з них, як і теорія Ейнштейна, тобто виходять з геометричного тлумачення гравітації, а інші виходять з поняття поля, заданого в плоскому просторі-часі. Майже всі ці альтернативні теорії не передбачають нових експериментів і тому їх евристичне значення практично дорівнює нулю. Серед фізиків давно вже визнано, що загальна теорія відносності дає найкраще відомий опис простору-часу і гравітації. Таке визнання в значній мірі обумовлено справді дивовижними красою та ідейно-теоретичних витонченістю цієї теорії.
По-друге, на основі ОТО були розвинені два фундаментальні напрямки сучасної фізики:
· Геометризовані єдині теорії поля;
· Релятивістська космологія.
Успішна геометризація гравітації змусила багатьох фізиків задуматися над питанням про сутність фізики в її відношенні з геометрією. У цьому питанні склалися дві протилежні точки зору:
1. Поля і частки безпосередньо не визначають характер просторово-часового континууму. Він сам служить лише ареною їх прояви. Поля і частки чужі геометрії світу. Поля і частки треба додати до геометрії, щоб взагалі можна було говорити про яку-небудь фізики.
2. У світі немає нічого, крім порожнього викривленого простору. Матерія, заряд, електромагнетизм і інші поля є лише проявом викривленого простору. Фізика є геометрія.
ОТО виявилася перехідною теорією між першим і другим підходами. У ЗТВ представлений змішаний тип опису реальності: гравітація в ній геометризовані, а частинки і поля, відмінні від гравітації, додаються до геометрії.
Успіх у геометризації гравітації спонукав багатьох вчених (у тому числі і самого Ейнштейна) до спроб об'єднання електромагнітного та гравітаційного полів у рамках досить загального геометричного формалізму на базі ЗТВ. З подальшим відкриттям різноманітних елементарних частинок та відповідних їм полів природно постала проблема включення і їх в рамки подібної єдиної теорії. Так було покладено початок тривалого процесу пошуків геометризовані єдиної теорії поля, який за задумом повинен реалізувати другий підхід - зведення фізики до геометрії, створення т.зв. геометродинаміки.
3. Виникнення і розвиток квантової фізики
3.1. Гіпотеза квантів
Витоки квантової фізики сягають своїм корінням у вивчення процесів випромінювання тел. Ще в 1809 р. Прево зробив висновок про те, що кожне тіло випромінює незалежно від навколишнього середовища. Розвиток спектроскопії в Х1Х столітті призвело до того, що разом з дослідженням спектрів випромінювання починають звертати увагу і на спектри поглинання. При цьому з'ясовується, що між випромінюванням і поглинанням тіла існує простий зв'язок. У спектрах поглинання відсутні або послаблюються ті ділянки спектру які випускаються даним тілом. Цей закон отримав своє пояснення тільки в квантовій теорії.
Густав Кірхгоф (1824 - 1887) сформулював новий закон, відомий під іменем закону Кірхгофа. Він показав, що для променів однієї і тієї ж довжини хвилі при одній і тій же температурі ставлення іспускательной і поглощательной здібності для всіх тіл одне і те ж. Або, іншими словами, якщо Еl T і Аl T - відповідно іспускательной і поглощательная здатність тіла, що залежать від довжини хвилі l і температури Т, то де j (l, T) - деяка універсальна функція l і Т, однакова для всіх тіл.
Кірхгоф ввів також поняття абсолютного чорного тіла як тіла, що поглинає всі падаючі на нього промені, і дав відому його модель. Для такого тіла, очевидно, Al T = 1; тоді універсальна функція Кірхгофа j (l, Т) дорівнює іспускательной здатності абсолютно чорного тіла. Сам Кірхгоф не визначив вид функції j (l, Т), а зазначив лише деякі її властивості. Постало завдання визначити вид цієї функції. Функція j (l, Т) - універсальна, тому природно було припустити, що її вигляд можна визначити, виходячи з теоретичних міркувань - використовуючи основні закони термодинаміки. Больцман показав, що повна енергія випромінювання абсолютно чорного тіла пропорційна четвертого ступеня його температури. Однак завдання визначення виду функції Кірхгофа виявилася досить важкою.
У 80-ті роки ХІХ століття емпіричні дослідження закономірностей у розподілі спектральних ліній і вивчення функції j (l, T) стали більш інтенсивними і систематичними. Була вдосконалена експериментальна апаратура. Для енергії випромінювання абсолютно чорного тіла Віном в 1896 р. і Релея і Джином в 1900 р. було запропоновано дві різні формули. Як показали експериментальні результати, формула Вина асимптотичні вірна в області коротких хвиль і дає різкі розбіжності з досвідом в області довгих хвиль, а формула Релея-Джинса таким же чином правильна для довгих хвиль, але не може бути застосована для коротких.
У 1900 р. у жовтні на засіданні Берлінського фізичного товариства Макс Планк (1858 - 1947) запропонував нову формулу для розподілу енергії в спектрі чорного тіла, отриману спочатку Напівемпіричним шляхом. Ця формула давала повну відповідність з досвідом. Але фізичний сенс цієї формули не була цілком зрозумілий. Додатковий аналіз показав, що ця формула має сенс тільки в тому випадку, якщо допустити, що випромінювання енергії відбувається не безперервно, а певними порціями - квантами (e). Більш того, e не є будь-який величиною, а саме e = hn, де h - цілком певна константа, а n - частота світла. Це вело до визнання нарівні з атомизмом речовини атомізму енергії або дії, дискретного, квантового характеру випромінювання, що не вкладалося в рамки основних уявлень класичної фізики. Формулювання гіпотези квантів енергії була початком нової ери в розвитку теоретичної фізики. У 1912 р. А. Пуанкаре остаточно показав несумісність формули Планка і класичної механіки.
Цю гіпотезу незабаром з великим успіхом почали застосовувати для пояснення інших явищ, які не можна було пояснити на основі уявлень класичної фізики. Істотно новим у розвитку квантової теорії було введення поняття квантів світла. Ця ідея під впливом гіпотези Планка була розроблена в 1905 р. Ейнштейном і застосована їм для пояснення оптичних явищ і, зокрема, фотоефекту.
У 1909 р. Ейнштейн, продовжуючи дослідження з теорії випромінювання визнає, що світло має одночасно і хвильовими і корпускулярним властивостями. У цілому ряді досліджень були отримані нові підтвердження гіпотези Ейнштейна про квантові властивості світла. Тепер всім було ясно, що світлове випромінювання має і корпускулярним і хвильовими властивостями.
3.2. Теорія атома Н. Бора. Принцип відповідності
У світлі тих видатних відкриттів кінця ХІХ століття, які революціонізували фізику, однією з ключових проблем природознавства стала проблема будови атомів. Ще в 1889 р. у своїй Фарадеевской лекції Д. І. Менделєєв зазначав, що в результаті виявлення специфічної періодичності хімічних властивостей елементів, розташованих по зростаючим атомним вагам, центральною проблемою фізики стає проблема будови атома.
У 1909 - 1910 рр.. співробітниками лабораторії англійського фізика Ернеста Резерфорда (1871 - 1937) були проведені експериментальні дослідження розсіювання a-частинок тонким шаром речовини. Ці дослідження показали, що для більшості a-частинок, які пронизують тонкий шар речовини, можна прийняти, що вони розсіюються силовими центрами, які діють на них із силою, назад пропорційної квадрату відстані. Для деяких же порівняно небагатьох частинок, відхилення яких становило кут 90 і більше, потрібно було прийняти, що вони зустрілися з дуже сильними електричними полями (в результаті вони навіть відкидаються тому). Це дозволило Резерфорду в 1911 р. у сформулювати планетарну модель атома.
По теорії Резерфорда, атом складається з позитивного ядра, набагато менших розмірів, ніж атом, порядку 10-13 см. Навколо ядра обертаються електрони. Загальний заряд атома дорівнює нулю, тому заряд ядра за абсолютною величиною дорівнює ne, де n - число електронів в атомі, e - заряд електрона. Резерфорд вважав також, що число електронів в атомі повинне бути дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі Менделєєва. Але модель Резерфорда ще не пояснювала багатьох виявлених на той час закономірностей, і перш за все закономірностей випромінювання атомів.
Успіху у побудові більш досконалої квантової моделі атома домігся в 1913 р. молодий датський фізик Нільс Бор (1885 - 1962), працював в лабораторії Резерфорда. Бор зрозумів, що для побудови теорії, яка пояснювала б і результати дослідів по розсіюванню a-частинок, і стійкість атома, і серіальні закономірності, і ряд інших експериментальних даних, потрібно відмовитися від деяких принципів класичної фізики. Н. Бор взяв за основу модель атома Резерфорда і доповнив її новими гіпотезами, які не дотримуються або навіть суперечать класичним уявленням. Ці гіпотези відомі як постулати Бора. Вони зводяться до наступного.
1. Кожен електрон в атомі може здійснювати стійке орбітальний рух по визначених орбітах, з певним значенням енергії, не випускаючи і не поглинаючи електромагнітного випромінювання. У цих станах атомні системи мають енергіями, які утворюють дискретний ряд: E ', E ",..., E n. Стани ці характеризуються своєю стійкістю. Усяка зміна енергії в результаті поглинання або випускання електромагнітного випромінювання може відбуватися тільки стрибком з одного стану в інший .
2. Електрон здатний переходити з однієї стаціонарної орбіти на іншу. І тільки в цьому випадку він випускає або поглинає певну порцію енергії монохроматичного випромінювання певної частоти. Ця частота визначається величиною зміни енергії атома при такому переході. Якщо при переході електрона з орбіти на орбіту і енергія атома змінюється від еm до ЕN, то що випускається або поглинається частота визначається умовою
hn mn = еm - ЕN
Ці постулати Бор використовував для розрахунку найпростішого атома (атома водню), розглядаючи спочатку найбільш просту його модель: нерухоме ядро, навколо якого обертається по круговій орбіті електрон. Пояснення спектра водню було великим успіхом теорії Бора.
Важливим досягненням квантової теорії Бора було також розвиток ним та іншими дослідниками уявлення про будову багатоелектронних атомів. Після перших результатів, досягнутих в теорії будови атома водню і пояснення на підставі цієї теорії спектрів, були зроблені кроки в розвитку теорії будови більш складних атомів і пояснень структури їх спектрів. У цьому напрямку були досягнуті деякі успіхи, проте дослідники зустрілися і з великими труднощами.
Введення чотирьох квантових чисел, встановлення принципу Паулі і пояснення періодичної системи Менделєєва - великі успіхи теорії атома Бора. Однак вони як і раніше не означали, що теорію можна вважати задовільною. По-перше, самі постулати Бора мали характер незрозумілих, ні звідки не які належать їм за тверджень, які повинні були б одержати своє обгрунтування. По-друге, теорія дала багато для з'ясування будови атома і атомних спектрів і т. д., проте її застосування часто зустрічало непереборні труднощі вже в досить простих випадках. Так, ніякі спроби теоретично розрахувати навіть такий, здавалося б, простий атом, як атом гелію, не привели до успіху. Незадовільність теорії атома ясно розумілася самими фізиками.
3.3. Створення нерелятивістської квантової механіки
Таким чином, у першій чверті ХХ століття перед фізикою і раніше стояла задача знаходження нових шляхів розвитку теорії атомних явищ. Ці шляхи зажадали відмови від цілого ряду давно встановлених понять і вироблення абсолютно нових теоретичних уявлень і принципів. Такі уявлення та принципи були створені цілою плеядою видатних фізиків ХХ століття. Молодий німецький вчений Гейзенберг встановив основи так званої матричної механіки; французький фізик де Бройль, а за ним австрійський фізик Шредінгер розробили хвильову механіку. Як незабаром виявилося, і матрична механіка, і хвильова механіка - різні форми загальної теорії, що отримала назву квантової механіки.
До створення матричної механіки В. Гейзенберг (1901-1975) прийшов в результаті досліджень спектральних закономірностей, а також теорії дисперсії, в якій атом уявлявся деякої символічної математичної моделлю - як сукупність віртуальних гармонійних осциляторів. Уявлення ж про атом як про систему, що складається з ядра і що обертаються довкола нього електронів, які володіють певною масою, рухаються з певною швидкістю по певній траєкторії, потрібно розуміти лише як аналогію для встановлення відповідної математичної моделі. Зазначений метод дослідження і розвинув Гейзенберг, поширивши його взагалі на теорію атомних явищ. При цьому особливу роль грав принцип відповідності як принцип аналогії між класичним і квантовим оглядом. Саме таким шляхом Гейзенберг розраховував подолати труднощі, що виникли перед Напівкласична теорією Бора.
У 192б р. Гейзенберг вперше висловлює основні положення квантової механіки в матричній формі. Теорія атомних явищ, по Гейзенбергу, повинна обмежуватися встановленням співвідношень між величинами, які безпосередньо вимірюються в експериментальних дослідженнях ("спостерігаються" величинами, за термінологією Гейзенберга) - частотою випромінювання спектральних ліній, їх інтенсивністю, поляризацією і т. п. "неспостережний" ж величини , такі, як координати електрона, його швидкість, траєкторія, за якою він рухається, і т. д., не повинні використовуватися в теорії атома. Однак у згоді з принципом відповідності нова теорія має певним чином відповідати класичним теоріям. Конкретно це має виражатися в тому, що співвідношення нової теорії повинні знаходитися у відношенні аналогією з співвідношеннями класичних величин. При цьому кожній класичної величиною потрібно знайти відповідну їй квантову величину і, користуючись класичними співвідношеннями, скласти відповідні їм співвідношення між знайденими квантовими величинами.
Другий напрямок у створенні квантової механіки почало розвиватися в роботах французького фізика Луї де Бройля. У них була висловлена ідея про хвильову природу матеріальних частинок. На підставі вже встановленого факту наявності у світла одночасно і корпускулярних і хвильових властивостей, а також оптико-механічної аналогії у де Бройля виникла ідея про існування хвильових властивостей частинок.
Перші роботи де Бройля, в яких висловлювалася ідея хвиль, пов'язаних з матеріальними частками, не звернули на себе серйозну увагу. Де Бройль згодом писав, що ідеї, які він висловив, були прийняті з "подивом, до якого безсумнівно домішувалася якась частка скептицизму". Але не всі скептично поставилися до ідей де Бройля. Особливо сильний вплив ідеї де Бройля надали на австрійського фізика Ервіна Шредінгера (1887 - 1961), який побачив у них джерело для створення нової атомної механіки. У 1926 р. пішли роботи Шредінгера, в яких він, розвиваючи ідеї де Бройля, побудував так звану хвильову механіку.
Шредінгер вперше встановив зв'язок між квантової та хвильової механікою, яку уточнив в наступних роботах. Він показав, що при всій відмінності вихідних фізичних положень вони математично еквівалентні.
У 1927 р. хвильова механіка отримала нове пряме експериментальне підтвердження. У цьому році Девіссон і Джермером було виявлено явище дифракції електронів. Таким чином, гіпотеза де Бройля отримала пряме експериментальне підтвердження, виявилося правильним і знайдене ним кількісне співвідношення для довжин "хвиль де Бройля". Крім виправдання квантової механіки безпосереднім підтвердженням хвильової природи електрона, за допомогою цієї теорії вдалося побудувати більш досконалу теорію твердого тіла, теорію електропровідності, термоелектричних явищ, теорію магнетизму і т. д. Квантова теорія дала можливість приступити до побудови теорії радіоактивного розпаду, а в подальшому стала основою для нової галузі фізики - ядерної фізики і т. д.
Слідом за основними роботами Шредінгера з хвильової механіки були зроблені перші спроби релятивістського узагальнення квантово-механічних закономірностей, і вже в 1928 р. Дірак заклав основи релятивістської квантової механіки.
3.4. Проблема інтерпретації квантової механіки
Принцип додатковості
Створений групою фізиків у 1925-1927 р.р. формальний математичний апарат квантової механіки переконливо продемонстрував свої широкі можливості за кількісним охопленням значного емпіричного матеріалу; не залишалося ніяких сумнівів, що квантова механіка цілком придатна для опису певного кола явищ. Разом з тим, виняткова абстрактність квантово-механічних формалізмів, наявність значних відмінностей у порівнянні з класичною механікою (кінематичні та динамічні змінні замінені абстрактними символами некомутативних алгебри, відсутність поняття електронної орбіти, необхідність інтерпретації формалізмів і ін) народжували відчуття незавершеності, неповноти нової теорії. У результаті виникла думка про необхідність її завершення.
Ніхто й не заперечував проти того, що нову теорію потрібно "допрацьовувати". Дискусія виникла з питання про те, яким шляхом це потрібно робити. А. Ейнштейн і ряд інших фізиків вважали, що квантово-механічне опис фізичної реальності є істотно неповним. Інакше кажучи, створена теорія не є фундаментальною теорією, а лише проміжною сходинкою по відношенню до неї, тому необхідно доповнити існуючу теорію принципово новими постулатами і поняттями, тобто доопрацьовувати ту частину підстав нової теорії, яка пов'язана з її принципами.
Інші фізики, на чолі з Н. Бором, вважали, що створена нова теорія є фундаментальною і дає повний опис фізичної реальності, а "прояснити стан речей можна було тут тільки шляхом більш глибокого дослідження проблеми спостережень в атомній фізиці". Інакше кажучи, Н. Бор і його однодумці вважали, що "доопрацювання" квантової механіки повинна йти по лінії уточнення тієї частини її підстав, які пов'язані не з принципами теорії, а з її методологічними установками, по лінії відповідній інтерпретації створеного математичного формалізму. Розробка методологічних установок квантової механіки, що була найважливішою ланкою в інтерпретації цієї теорії, тривала аж до кінця 40-х років ХХ століття. Завершення вироблення цієї інтерпретації одночасно означало і завершення наукової революції у фізиці, що почалася наприкінці ХІХ століття.
Основною відмінною особливістю експериментальних досліджень у галузі квантової механіки є фундаментальна роль взаємодії між фізичним об'єктом і вимірювальним пристроєм. Це пов'язано з корпускулярно-хвильовим дуалізмом. І світло і частки проявляють в різних умовах суперечливі властивості, і, у зв'язку з цим, про них виникає суперечливі уявлення. В одному типі вимірювальних приладів (дифракційна решітка) вони представляються нам у вигляді безперервного поля, розподіленого в просторі, будь то світлове поле або поле, яке описується хвильовою функцією. В іншому типі приладів (бульбашкова камера) ці ж мікроявленій виступають як частки, як матеріальні точки. Причиною корпускулярно-хвильового дуалізму, за Бору, є та обставина, що сам мікрооб'єкт не є ні хвилею, ні часткою в звичайному розумінні.
Неможливість провести різку межу між об'єктом і приладом у квантовій фізиці висуває дві проблеми:
· Яким чином можна відрізнити знання про об'єкт від знань про прилад?
· Яким чином, розрізнивши їх, зв'язати в єдину картину, теорію об'єкта?
Перше завдання дозволяється введенням вимоги описувати поведінку приладу мовою класичної фізики, а принципово статистичне поводження мікрочастинок - мовою квантово-механічних формалізмів. Внаслідок того, що відомості про мікрооб'єкти отримують в результаті його взаємодії з класичним приладом, тобто макроскопічними об'єктом, мікрооб'єкт можна інтерпретувати тільки в класичних поняттях, тобто використовувати класичні уявлення про хвилю і частинці. Ми ніби змушені говорити на класичному мовою, хоча з його допомогою не можна виразити всі особливості мікрооб'єктів, який не є класичним.
Друге завдання вирішується за допомогою принципу додатковості: хвильове і корпускулярне опису мікропроцесів не виключають і не замінюють один одного, а взаємно доповнюють один одного, при одному поданні мікрооб'єкт використовується причинне опис відповідних процесів, в іншому ж випадку просторово - тимчасове. Єдина картина об'єкта є синтезом цих двох описів.
4. Методологічні установки некласичної фізики
Створення релятивістської, а потім і квантової фізики призвело до необхідності значного перегляду методологічних настанов класичної фізики. Кардинальні зміни в системі методологічних установок релятивістської фізики пов'язані з виявленням залежності опису поведінки фізичних об'єктів від умов пізнання (облік стану руху систем відліку при визнанні сталості швидкості світла у вакуумі). Відбулась зміна гносеологічної позиції суб'єкта та об'єкта - з'явилася необхідність вказівки на ту систему відліку, з позицій якої описується досліджувана фізична область. Створення квантової механіки призвело до ще більш значного перегляду методологічних принципів класичної фізики: введення нового класу принципово статистичних закономірностей; неможливість провести різку межу між об'єктом і приладом та запровадження принципу додатковості; неможливість одночасного визначення всіх властивостей мікрооб'єктів (принцип невизначеності); ненаглядний характер теоретичних моделей, неоднозначність вживання понять, необхідність вказувати на умови пізнання та інших
Розглянемо в систематичному вигляді методологічні установки некласичної фізики.
1.Прізнаніе об'єктивного існування фізичного світу, тобто його існування до і незалежно від людини та її свідомості.
2. На відміну від класичної фізики, яка розглядала світ фізичних елементів як якісно однорідне утворення, сучасна фізика приходить до висновку про наявність трьох якісно різняться структурних рівнів світу фізичних елементів: мікро-, макро-і мага-рівнів.
3. Явища мікросвіту, мікропроцеси мають риси цілісності, незворотності та неподільності, які призводять до якісної зміни уявлень про характер взаємозв'язку об'єкта і експериментальних засобів дослідження.
4. Причинність як один з елементів загального зв'язку і взаємозумовленості речей, явищ, подій матеріального світу властива і мікропроцесу. Але характер причинного зв'язку в мікросвіті відмінний від механістичного детермінізму. В області мікроявленій причинність реалізується через різноманіття випадковостей, і тому мікропроцесу властиві не динамічні, а статистичні закономірності.
5. Мікроявленій принципово пізнавані. Отримання повного і несуперечливого опису поведінки мікрочастинок вимагає вироблення нового способу пізнання і нових методологічних установок пізнання.
6. Основа пізнання - експеримент, безпосереднє матеріальне взаємодія між засобами дослідження суб'єкта і об'єктом. Так само, як і в класичній фізиці, дослідник вільний у виборі умов експерименту.
7. Кардинальні зміни в методології некласичної фізики в порівнянні з класичною фізикою пов'язані з виявленням залежності опису поведінки фізичної об'єктів від певних умов пізнання. У релятивістській фізиці - це облік стану руху систем відліку при визнанні сталості швидкості світла у вакуумі. У квантовій фізиці - фундаментальна роль взаємодії між мікрооб'єктів і вимірювальним пристроєм, приладом. Мова тут йде про зміну пізнавального відношення суб'єкта і об'єкта. У квантовій фізиці вона дозволяється принципом додатковості.
8. Якщо в класичній фізиці всі властивості об'єкта можуть визначатися одночасно, то вже у квантовій фізиці існують принципові обмеження в цьому, висловлені принципом невизначеності.
9. Некласичні способи опису дозволяють отримувати об'єктивний опис природи. Але об'єктивність знання не повинна ототожнюватися з наочністю. Створення механічної наочної моделі зовсім не виступає синонімом адекватного фізичного пояснення досліджуваного явища.
10. Фізична теорія повинна містити в собі не тільки засоби для опису поведінки пізнаваних об'єктів, але також і кошти для опису умов пізнання, включаючи процедури дослідження.
11. У некласичної фізики, як і в класичній, ігнорується атомна структура експериментальних пристроїв.
12. Структура процесу пізнання не є незмінною. Якісному різноманіттю природи має відповідати і різноманіття способів її пізнання. На основі некласичних способів пізнання (релятивістському і квантовому) з часом повинні сформуватися нові способи пізнання.
У другій половині ХХ століття основна увага у фізиці звернено на створення теорій, які розкривають з позицій квантово-релятивістських уявлень сутність та підстави єдності чотирьох фундаментальних взаємодій - електромагнітного, "сильного", "слабкого" і гравітаційної. Це завдання одночасно є і завданням створення єдиної теорії елементарних частинок (теорії структури матерії). На основі уявлення про різні калібрувальних симетрія створені й одержали хороше емпіричне обгрунтування квантова електродинаміка, теорія електрослабкої взаємодії, квантова хромодинаміка (теорія сильної взаємодії), є перспективи на створення єдиної теорії електромагнітного, "слабкого" і "сильного" взаємодій. Фізики чекають, що у віддаленій перспективі до них має бути приєднано і гравітаційна взаємодія, про природу якого висловлюються різні точки зору (викривлення простору-часу, деякий силове поле з Гравітоном як його квантом, і те й інше разом, та ін.) Важко сказати, як далеко знаходиться наука від реалізації цієї великої мети - створення єдиної теорії структури матерії.
Список літератури
Азімов А. Коротка історія біології. М., 1967.
Алексєєв В.П. Становлення людства. М., 1984. Бор Н. Атомна фізика і людське пізнання. М., 1961 Борн М. ейнштейнівської теорія относітельності.М., 1964.
Вайнберг С. Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту. М., 1981.
Гінзбург В.Л.О теорії відносності. М., 1979.
Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. М., 1979.
Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 1986.
Кемпфер Ф. Шлях в сучасну фізику. М., 1972.
Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 1972.
Мойсеєв М.М. Людина і біосфера. М., 1990.
Меріон Дж. Б. Фізика і фізичний світ. М., 1975
Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.
Ніколіс Г., Пригожин І. Пізнання складного. М., 1990.
Пригожин І., Стенгерс І. Порядок з хаосу. М., 1986.
Пригожин І., Стенгерс І. Час, Хаос і Квант. М., 1994.
Пригожин І. Від існуючого до виникає. М., 1985.
Стьопін В.С. Філософська антропологія та філософія науки. М., 1992.
Фейнберг Є.Л. Дві культури. Інтуїція і логіка в мистецтві та науці. М., 1992.
Фролов І.Т. Перспективи людини. М., 1983.