Физика в технике

В настоящее время в теоретической физике возникло и с успехом развивается новое направление, ставящее целью построить единую теорию поля, основываясь па так называемых «самодействиях», т. е. взаимодействиях некоторой «праматерии», как ее условно называют физики, самое с собой. Это направление получило название нелинейной теории материи. В разработке и построении такой теории принимают участие известный физик, один из основоположников ква, нто, вой механики В. Гейзенберг, советские физики Д. Д. Иваненко, А. М. Бродский и другие.

Успехи, достигнутые за короткое время при разработке и построении этой теории (были теоретически получены массы почти всех «элементарных» частиц; показана необходимость введения некоторой минимально возможной «элементарной» длины, характеризующей структуру любого типа поля и в том числе вакуума и являющейся по существу границей тех закономерностей в микромире, которые еще могут описываться современной квантовой физикой), позволяют надеяться, что рано или поздно будет создана единая «нелинейная» теория материи и тем самым будет сделан еще один шаг на пути познания бесконечно разнообразного в качественном и количественном отношениях окружающего нас мира.

Теория относительности и ускорители частиц

Теория относительности, которая изучает законы движения материальных тел в пространстве и во времени, и квантовая механика, описывающая микромир с его особенностями, взаимно дополняют друг друга и являются теми инструментами, при помощи которых наука открывает новые законы и глубже познает природу.

В повседневной жизни мы встречаемся с чрезвычайно разнообразными процессами и явлениями, скорость протекания которых различна. Известно, что развитие животных и растений происходит в течение месяцев, лет и десятков лет. Но в природе существуют процессы, длительность которых измеряется миллионными и даже миллиардными долями секунды.

Так, электрическая искра, возникающая при разряде конденсатора, «живет» от долей микросекунды до нескольких сотен микросекунд, а время «жизни» некоторых «элементарных» частиц может составлять 10^{– 14}—10^{– 15} секунды.

До появления приборов, с помощью которых можно было измерять такие малые промежутки времени, люди пользовались законами, справедливыми для небольших (по сравнению со скоростью света) скоростей. Вся классическая физика, и в частности механика, строилась на предположении о независимости хода процессов в материальной системе от скорости этой системы относительно других систем.

Принцип относительности Галилея, заключающийся в том, что никакими механическими опытами нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение системы, в которой находится наблюдатель, утверждал, что при сложении двух одинаково направленных скоростей v₁ и v₂ результирующая скорость равна v₁ + v₂. Однако, как выяснилось впоследствии, дело обстоит гораздо сложнее: при скорости v, соизмеримой со скоростью света с, действует иной закон сложения скоростей, а именно:

Подсчитаем результирующую скорость, гели v₁ =v₂=с. В этом случае

т. е. результирующая скорость также равна скорости света с. Но не противоречит ли полученный результат здравому смыслу? Почему же в действительности справедлив новый закон, а не старый?

Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить опыты Майкельсона, в результате которых удалось сделать поистине парадоксальный вывод: скорость света является абсолютно постоянной в любых движущихся материальных системах. Опыт Майкельсона иллюстрируется рис. 5.

Луч света от источника падает на полупрозрачное зеркало 3, где делится на два луча.

_{Рис. 5. Ход лучей в интерферометре Майкельсона}

Луч, отраженный от зеркала, дойдя до отражателя О₁ возвращается по тому же пути обратно и попадает на экран. Луч, прошедший через зеркало, дойдя до отражателя O₂, возвращается к зеркалу, отражается от него и попадает на экран.

Таким образом, на экран падают одновременно два луча, колебания в которых имеют одну и ту же частоту и одинаковый сдвиг фаз. На экране можно наблюдать сложение (интерференцию) этих двух лучей в виде чередующихся светлых и темных полос.

Если бы существовал абсолютно неподвижный и неувлекаемый мировой эфир, то при движении Земли вокруг Солнца существовал бы «эфирный ветер».

В этом случае луч света, движущийся по направлению движения Земли, имел бы меньшую скорость, чем луч света, движущийся в противоположную сторону. Это должно было бы привести к изменению (смещению) интерференционных полос на экране при повороте всей системы относительно направления движения Земли.

Опыт показал, что никакого смещения интерференционных полос при вращении всей установки (при этом плечи I и II менялись местами) не произошло. Таким образом было доказано, что скорость света в движущейся системе постоянна и не зависит от скорости самой движущейся системы.

Наблюдение Де Ситтера за движением двойных звезд также доказало тот факт, что скорость света всегда постоянна.

Из этого сделали вывод, что постоянство скорости света — закон природы, его следует принимать во внимание и строить на нем теорию объективно существующего физического мира.

Здесь следует рассказать о теории относительности. Теория относительности, созданная Эйнштейном, по существу основывается на постоянстве скорости света и на так называемом принципе относительности, заключающемся в том, что никакими опытами (ни механическими, ни электромагнитными) нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение относительно пустого пространства.

Принцип относительности Эйнштейна является более общим по сравнению с принципом относительности Галилея. По Галилею относительно только движение, а по Эйнштейну относительными являются и такие величины, как длина, масса любого тела и временной интервал, т. е. промежуток времени, прошедший между двумя какими-либо причинно-связанными событиями.

«Необычность» выводов теории относительности таких, как замедление времени в движущихся по отношению к «неподвижному» наблюдателю системах, сокращение тел в направлении их движения и т. д., является прямым следствием постоянства скорости света.

Относительность хода времени в движущихся друг относительно друга материальных системах хорошо иллюстрирует следующий мысленный опыт, показывающий, что два причинно-обусловленные события, одновременные в одной системе, оказываются неодновременными в другой системе.