თეორიები ფიზიკაში

ერთ-ერთი თავი ალბერტ აინშტაინის წიგნიდან – იდეები და აზრები

ფიზიკაში შესაძლებელია განვასხვაოთ თეორიების სხვადასხვა ტიპები.

მათი უმრავლესობა კონსტრუქციულია. ეს თეორიები ცდილობენ მოიპოვონ უფრო რთული ფენომენების სურათი შედარებით მარტივი ფორმალური სქემებიდან. მაგალითად, აირების კინეტიკური თეორია მიზნად ისახავს მექანიკური, თერმული და დიფუზიური პროცესების მოლეკულური მოძრაობის საფუძველზე ახსნას. როდესაც ჩვენ ვამბობთ, რომ გავიგეთ ბუნებრივი პროცესების ჯგუფი, ამას ვგულისხმობთ, რომ ნაპოვნია შესაბამისი კონსტრუქციული თეორია, რომელიც აღწერს ამ პროცესებს… თუმცა კი თეორიების მეორე ტიპი, რომელსაც მე პრინციპულ თეორიებს ვუწოდებ, განსხვავებული მიდგომისაა. ეს თეორიები ანალიტიკურ მეთოდს ეფუძნება. მათი ელემენტები აგებული არ არის ჰიპოთეტურ მოდელებზე, არამედ ეფუძნება ემპირიულად აღმოჩენილ პრინციპებს. მაგალითად, თერმოდინამიკის თეორია ემყარება ისეთ პრინციპებს, როგორიცაა მუდმივი მოძრაობის შეუძლებლობა, რათა დაადგინოს მოვლენების არსებითი პირობები. კონსტრუქციული თეორიის უპირატესობა არის სისრულე, ადაპტაცია და სიცხადე, ხოლო პრინციპული თეორიების უპირატესობაა ლოგიკური სრულყოფა და უსაფრთხოება.

ფარდობითობის თეორია ამ მეორე კატეგორიას მიეკუთვნება. მის გასაგებად, უპირველეს ყოვლისა, საჭიროა, გავეცნოთ პრინციპებს, რომლებზეც ის დაფუძნებულია. ამასთან, უნდა აღინიშნოს, რომ ფარდობითობის თეორია ორი ნაწილისგან შედგება: სპეციალური და ზოგადი ფარდობითობის თეორიისგან… სპეციალური თეორია ვრცელდება ყველა ფიზიკურ მოვლენაზე (გარდა გრავიტაციისა); ხოლო ზოგადი თეორია კი გვაწვდის მიზიდულობის კანონს და მის კავშირს ბუნების სხვა ძალებთან.

ფარდობითობის სპეციალური თეორია ემყარება ორ მთავარ პრინციპს:

1. „ფარდობითობის სპეციალური პრინციპი“ – კოორდინატთა სისტემა (ან „ინერციული სისტემა“), რომელიც თავისუფალია ბრუნვისა და აჩქარებისგან, ითვლება მექანიკის კანონების გამოყენებისთვის შესაფერისად. მაგალითად, ნებისმიერი სისტემა, რომელიც ერთგვაროვანი და სწორი ხაზით მოძრაობს, შეიძლება ჩაითვალოს ინერციულ სისტემად.
2. „ვაკუუმში სინათლის მუდმივი სიჩქარის პრინციპი“ – სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში ყოველთვის მუდმივია და არ არის დამოკიდებული დამკვირვებლის ან სინათლის წყაროს მოძრაობის მდგომარეობაზე.

ორივე პრინციპი ძლიერადაა მხარდაჭერილი გამოცდილებით, მაგრამ ლოგიკურად შეუთავსებელია. ფარდობითობის სპეციალურმა თეორიამ მათი ლოგიკური შერწყმა შეძლო კინემატიკის მოდიფიკაციის საშუალებით – სივრცისა და დროის კანონების დოქტრინით. მაგალითად, აღმოჩნდა, რომ ორი მოვლენის ერთდროულობა მხოლოდ კონკრეტულ კოორდინატულ სისტემასთან მიმართებაში შეიძლება განისაზღვროს.

ფარდობითობის თეორიიდან გამომდინარე მეცნიერებმა აღწერეს მასის წერტილების ახალი მოძრაობის კანონი, რაც დადასტურდა ელექტრულად დამუხტულ ნაწილაკებზე ექსპერიმენტების მეშვეობით. თეორიის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი შედეგია მასისა და ენერგიის ურთიერთკავშირი, რომელიც ამბობს, რომ ინერტული მასა არის ლატენტური ენერგია… ეს შედეგები აერთიანებს მასისა და ენერგიის შენარჩუნების პრინციპებს და ქმნის ფიზიკის ერთ-ერთ ყველაზე ბრწყინვალე მიღწევას.

ორივე ზემოხსენებული პრინციპი ძლიერად არის მხარდაჭერილი გამოცდილებით, თუმცა კი ლოგიკურად, შეუთავსებელად ჩანს. ფარდობითობის სპეციალურმა თეორიამ საბოლოოდ მოახერხა მათი ლოგიკურად შეჯერება კინემატიკის მოდიფიკაციის მეშვეობით, რაც გულისხმობს სივრცისა და დროის კანონების გადახედვას ფიზიკის თვალსაზრისით. ცხადი გახდა, რომ ორი მოვლენის ერთდროულობაზე საუბარი მხოლოდ მოცემულ კოორდინატულ სისტემასთან მიმართებაში შეიძლება და რომ საზომი მოწყობილობების ფორმა და საათების მოძრაობის სიჩქარე დამოკიდებულია მათი მოძრაობის მდგომარეობაზე კოორდინატთა სისტემის მიმართ… თუმცა კი გალილეოსა და ნიუტონის მოძრაობის კანონები, ძველი ფიზიკის ფუნდამენტური ნაწილები, ვერ ჯდებოდა რეკონსტრუქციულ რელატივისტულ კინემატიკასთან. ახალი კინემატიკის პირობებიდან, მეცნიერებმა მოახერხეს ზოგადი მათემატიკური პირობების ფორმულირება, რომლებიც უნდა შეესაბამებოდეს ბუნებრივ კანონებს, თუ ზემოხსენებული ორი პრინციპი მართლა მოქმედებს. შედეგად, ფიზიკა შეწყობილი უნდა ყოფილიყო მათთან. კონკრეტულად, მეცნიერებმა ჩამოაყალიბეს სწრაფად მოძრავი მასის წერტილების ახალი მოძრაობის კანონები, რაც შესანიშნავად დადასტურდა ელექტრულად დამუხტული ნაწილაკების მაგალითებზე.

ფარდობითობის სპეციალური თეორიის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი შედეგი დაკავშირებულია ინერტულ მასასთან. აღმოჩნდა, რომ სისტემის ინერცია პირდაპირ დამოკიდებულია მის ენერგეტიკულ შემცველობაზე. ამან მიგვიყვანა დასკვნამდე, რომ ინერტული მასა უბრალოდ ლატენტური ენერგიის გამოხატულებაა. შესაბამისად, მასის შენარჩუნების პრინციპმა დაკარგა დამოუკიდებლობა და ენერგიის შენარჩუნების პრინციპთან ინტეგრირდა… ფარდობითობის სპეციალური თეორია, რომელიც სიღრმისეულად ეყრდნობოდა მაქსველისა და ლორენცის ელექტროდინამიკას, თავისი საზღვრებს სცილდება. საჭიროა პასუხი კითხვაზე: უნდა შემოიფარგლოს თუ არა კოორდინატთა სისტემების მოძრაობის მდგომარეობა ფიზიკური კანონების დამოუკიდებლობით? რა კავშირი აქვს ბუნებას ჩვენს კოორდინატთა სისტემებთან და მათ მოძრაობის მდგომარეობასთან? თუ ბუნების აღწერისთვის აუცილებელია თვითნებურად შემოღებული კოორდინატთა სისტემები, მათი მოძრაობის მდგომარეობის არჩევანი არ უნდა ექვემდებარებოდეს შეზღუდვას; კანონები უნდა იყოს მთლიანად დამოუკიდებელი (ფარდობითობის ზოგადი პრინციპი).