Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
15
Содержание
|
[1] Введение [2] 1. Теория электромагнитного поля Максвелла [3] 2. Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна [4] 3. Специальная теория относительности А.Эйнштейна [5] Заключение [6] Список литературы |
Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как реаль ной среде, являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось становление континуальной, полевой фи зики. Одновременно с возникновением волновой теории света фор мировалась совершенно новая парадигма физического исследова ния — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадле жит великому английскому физику М. Фарадею.
Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он еще при жизни приобрел огромный авторитет и славу. Однако к его теоретическим взглядам современники в лучшем случае остава лись безразличными. Первым обратил на них серьезное внимание Дж.К.Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и по строил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике по нятие «эфир» и сформулированное в теории электрических и магнит ных явлений понятие «электромагнитное поле» сначала сближают ся, а затем, уже в начале XX в., с созданием специальной теории относительности, полностью отождествляются.
Таким образом, понятие поля оказалось очень полезным. Будучи вначале лишь вспомогательной моделью, это понятие становится в физике XIX в. все более и более конструктивной абстракцией. Она позволяла понять многие факты, уже известные в области электри ческих и магнитных явлений, и предсказывать новые явления. Со временем становилось все более очевидным, что этой абстракции соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие поля за воевало центральное место в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий.
Эта теория представлена в сжатой и простой (изящной) форме в виде шести уравнений в част ных производных. Система взглядов, которая легла в основу уравнений Максвелла, получила название теории электромагнитного поля Макс велла.
Хотя эта система уравнений имеет простой вид, но чем больше сам Максвелл и его последователи работали над ни ми, тем более глубокий смысл открывался им. Генрих Герц, который экспериментально получил электромагнитные из лучения, предсказанные теорией Максвелла, говорил о неис черпаемости уравнений Максвелла. Герц отмечал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по време нам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом, - ка жется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них было заложено».
Необходимо, однако, отметить, что свои уравнения Максвелл получал иногда вопреки правилам матема тики. Для него исходными были физические идеи и со ображения, которые он облекал самостоятельно в ма тематическую форму. Поэтому для современников его теория выглядела странной и непонятной, и многими учеными воспринималась скептически до тех пор, пока Герц не дал ее всестороннее экспериментальное обос нование. [2]
Среди постоянных величии, входящих в уравнение Макс велла, была константа с. Применив уравнение к конкретному случаю, Максвелл нашел, что она точно совпадает со ско ростью света. Процесс распространения поля будет продол жаться бесконечно в виде незатухающей волны, поскольку энергия магнитного поля в пустоте полностью переходит в энергию электромагнитного поля, и наоборот. Причем свет, так же как и электромагнитное поле, распространя ется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 300 000 км/с. Из всех этих совпадений видно, что свет име ет электромагнитную природу, что световой поток - это по ток электромагнитных волн. В световых волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного по лей, а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии напряжения.
Открытие Максвелла сравнимо по научной значимо сти с открытием закона всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению понятия всеобще го закона тяготения, труды Максвелла - к введению понятия электромагнитного поля и электромагнит ной природы света. Работы Максвелла привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнит ного поля, которое не совместимо с материальными точками и вещественной массой классической физики. Поле - это новая фундаментальная физическая реаль ность. Поэтому представления о поле должны высту пать в качестве первичных, исходных понятий. Как отме чал А. Эйнштейн, электромагнитное поле не нуждается даже в эфире, поскольку поле само является фундамен тальной реальностью.
В работах по принципиальным вопросам физики А. Эйн штейн ввел понятие «программа Максвелла», которую тол ковал как «полевую программу». Сам Эйнштейн стоял на по зициях полевой программы и до конца своей жизни стремился построить единую теорию поля, хотя и безуспешно. [2]
В конце XIX века теория Максвелла стала играть ведущую роль в физике, и вместе с тем она вступила в противоречие с МКМ. Вместо принципа дальнодейст вия она выдвинула и обосновала прямо противоположный принцип близкодействия, согласно которому сило вое действие передается от точки к точке. Скорость све та включена в новую теорию, что хотя бы в скрытой форме противоречит бесконечно большим скоростям, допускаемым в классической физике. Наконец, открыт новый тип физической реальности - поле, которое не сводится ни к материальным точкам, ни к веществу, ни к атомам. Если к этому добавить обнажившиеся про тиворечия и слабые стороны самой классической фи зики, то станет понятно, что в конце XIX века стре мительно нарастал кризис механистической научной картины мира.
Теорию Максвелла ряд авторов интерпретируют как но вую - электромагнитную научную картину мира. С этим нельзя согласиться: пере ход от одной НКМ к другой может совершиться лишь при условии, если развитие естествознания приведет к качест венно новой трактовке не одного, а целой группы базисных понятий. Тогда как теория Максвелла в явном виде выдви нула лишь один новый принцип - принцип близкодейст вия. В остальном она просто вышла за рамки МКМ, посколь ку не укладывалась в них, что само по себе не означает новой НКМ. Правда, теория Максвелла первой вышла за рамки МКМ, поэтому дальнейшая ломка МКМ была продолжени ем дела, начатого Максвеллом.
С конца XIX - начала XX века ученые приступили к изучению качественно новых объектов в сравнении с классической физикой, и на этой основе был получен целый ряд принципиально новых результатов, позво ливших дать новое истолкование некоторым базисным понятиям.
Первое и, по-видимому, самое мощное влияние на перестройку НКМ оказала теория относительности выдающегося физика-теоретика XX столетия Альбер та Эйнштейна (1879-1955).
Поскольку в теории относительности Эйнштейна большую роль играет принцип относительности движения в формули ровке Ньютона, то полезно еще раз привести ее. Впервые этот принцип ввел Галилей, о чем говорилось выше. С уче том идей Декарта Ньютон уточнил и расширил формулиров ку Галилея. В частности, в качестве систем отсчета он брал не тела, а декартову систему координат. [2]
Среди систем отсчета выделяют инерциальные, особенность которых состоит в том, что для них выполняется прин цип относительности движения.
Принцип относительности движения означает, что во всех инерциальных системах отсчета механические процессы ин вариантны. Иначе говоря, два наблюдателя в одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что в их системах фи зические процессы протекают одинаково. Это означает также, что переход от одной инерциальной системы отсчета к другой осуществляется по правилам галилеевых преобразований, рассмотренных выше. И наоборот, если при переходе от одной системы отсчета к другой правила галилеевых пре образований не выполняются, то и принцип относительности движения не выполняется, поэтому такие системы отсчета не будут инерциальными. Таким смыслом наполнен принцип относительности движения в классической механике.
Эйнштейн был тонким мыслителем, он всегда стремился максимально упорядочить логическую структуру физических теорий. Физики-теоретики того вре мени, включая Эйнштейна, стремились теоретически и ло гически упорядочить электродинамику Максвелла. В итоге таких усилий возникли новые теории специальная и общая теория относительности Эйнштейна.
Теории электромагнитного поля Максвелла были присущи два недостатка:
1. Она не совмещалась с принципом относительно сти движения классической физики, поскольку ее урав нения оказались неинвариантными относительно пре образований Галилея. Это был существенный изъян, поскольку вся практика подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая теория не опровергает его.
2. Полевая картина физической реальности Макс велла оказалась теоретически неполной и логически противоречивой, так как трактовка электрического по ля и электрически заряженных частиц (носителей поля) не была увязана концептуально. Эйнштейн отмечал: тео рия Максвелла хотя и правильно описывает поведение электрически заряженных частиц, но не дает теории этих частиц. Следовательно, они должны рассматриваться на основе классической механики как материальные точ ки, расположенные в пространстве дискретно, что про тиворечит понятию поля. Последовательная полевая теория требует непрерывности всех элементов теории. [2]
Решение этого вопроса, данное Эйнштейном, оригинально и поучительно. Объектом изучения в классической механике были или материальные точки, или точки пространства, или моменты времени. Он отвергает все эти разделительные «или».
Объектом теории относительности выступают «физические со бытия» как целостные объекты, в которых объединены по нятия материи, движения, пространства, времени. Физической реальностью, отмечал Эйнштейн, обладают не точки прост ранства и не моменты времени, а только сами события, опре деленные четырьмя числами х, у, z, t. «Законы природы при мут наиболее удовлетворительный с точки зрения логики вид, будучи выражены как законы в четырехмерном пространст венно-временном континууме» [4].
Остановимся теперь на рассмотрении первого не достатка. Анализ показал, что уравнения Максвелла неинвариантны относительно галилеевых преобразо ваний. Это значит, что при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой форма уравнений оказывалась разной. Это равносильно тому, что в раз ных системах отсчета один и тот же физический процесс осуществлялся по разным законам, что противоречит науке. Как же уберечь теорию Максвелла от этого не достатка?
В 1890 году Г. Герц искусственно подобрал систему урав нений, инвариантных относительно галилеевых преобразо ваний, которые в частном случае покоящегося тела обраща ются в уравнения Максвелла. Однако уравнения Герца про тиворечили опытно установленному постоянству скорости света (300 000 км/с).
Еще один вариант переработки уравнений Максвола предпринял голландский физик-теоретик Г.Лоренц, но и его уравнения оказались неинвариантными относительно галилеевых преобразований.
И тогда поступили, как в той известной притче: «Ес ли гора не идет к Магомеду, то Магомед идет к горе» Поскольку не удалось переформулировать уравнения Максвелла так, чтобы они стали инвариантными относительно галилеевых преобразований, то Лоренц предпринял обратный ход: решил сами правила галилеевых преобразо ваний видоизменить (проще говоря, подогнать) так, чтобы относительно этих правил уравнения Максвелла оказались инвариантными.
Лоренцевы преобразования - это новые (отличные от га лилеевых) правила перехода от одной инерциалыюй системы отсчета к другой. Для одной точки в декартовой системе координат без штрихов при переходе к системе отсчета со штрихами лоренцевы преобразования устанавливают сле дующие правила:
Как видим, отличие правил лоренцевых преобразований от галилеевых существенно. Это отличие станет еще более зримым, если определять не координату материальной точки, а размер макроскопического тела, например, жесткого стерж ня длиной l. Такой стержень имеет начальную и конечную точки на оси х1, х. Определив координаты этих точек и вычитая из координаты с большим значением координату с меньшим значением, получим математическое выражение для длины (l) и для времени (t) движущегося стержня:
Здесь l-длина движущегося стержня, l0 - длина покоящеюся стержня, v - скорость движения стержня (системы отсчета), t - время покоящегося стержня, t0 - время движущегося стерж ня, с - скорость света в пустоте. [2]
Рассмотрим соотношения l и t сначала формально. При малых значениях величины v, по сравнению со скоростью света, значением дроби и подкоренного выражения можно пре небречь. Тогда l = l0 и t = t0, что равносильно возврату от лоренцевых преобразований к галилеевым. Если же значения величины v достаточно большие (сравнимые со скоростью света), то значением подкоренного выражения нельзя пре небречь и оно будет уменьшаться. Соответственно этому значение величины l будет уменьшаться, а значение величи ны t - возрастать. В таком случае с ростом скорости движе ния (v) различия между преобразованиями Лоренца и пре образованиями Галилея будут нарастать.
Итак, Лоренц искусственно получил новые правила перехода от одной инсрпиалыюй системы к другой. При этом уравнения Максвелла оказываются инвариант ными в любых инерциальных системах отсчета. Одна ко неизвестной остается реальность самих преобразо ваний Лоренца: имеют они физический смысл или пег? Поскольку эти правила получены искусственно, то сам Лоренц отказывался придавать им физический смысл. Над ним довлели представления классической физики о неизменности пространства и времени. [3]
Иначе подошел к этому вопросу А. Эйнштейн. За фактом хорошей согласованности лоренцевых преобразований с теорией Максвелла он угадал реальный физический смысл самих преобразо ваний. Для этого он предпринял попытку дедук тивного построения теории, которая бы наполнила преобразования Лоренца физическим смыслом. Иначе говоря, он задался целью углубить пони мание принципа относительности путем его раз вертывания в теорию относительности.
В качестве постулатов дедуктивной теории он принял два принципа. Прежде всего - принцип относительности клас сической физики, резко расширив его, распространив его не только на механическое движение, но и на электромагнитные и световые процессы. Уже в исходной посылке Эйнштейн объединил классическую механику и электромагнитную тео рию Максвелла. В качестве второго постулата он взял прин цип постоянства скорости света в пустоте. Поскольку скорость света в качестве константы включена в уравнения Максвел ла, то Эйнштейн принял эту константу и для классической физики. Тем более что в конце XIX века экспериментально было надежно установлено, что скорость света конечна, хотя и велика. Позже было принято считать, что скорость снега в пустоте составляет примерно 300 000 км/с.
Таким образом, постулатами частной теории отно сительности являются два принципа.
1. Принцип относительности движения, которому Эйнштейн придал всеобщий характер, распространив его с механических на магнитные, электрические и све товые процессы.
2. Принцип постоянства скорости света в пустоте, со ставляющей 300 000 км/с. Эта скорость является макси мальной возможной скоростью распространения ма териальных взаимодействий.
Из этих двух физических принципов Эйнштейн заново вывел математические правила преоб разования Лоренца. Но теперь математическая форма соотношений l и t наполнена физичес ким смыслом, поскольку их Эйнштейн вывел из физических посылок. Из соотношений l и t можно видеть, что, когда скорость движения те ла становится сравнимой со скоростью света, ли нейный размер тела физически сокращается в на правлении его движения. Со временем происходят противоположные изменения: его течение замед ляется, ритмика течения времени растягивается. [1]
Если скорость движения тела приближается к скорости света, то тело сжимается в направлении движения до такой степени, что превращается в плоскую фигуру (в лепешку). Значит, допускавшиеся в классической физике скорости, пре вышающие скорость света в пустоте, не имеют физического смысла. Отсюда следует, что скорость распространения ма териальных взаимодействий в природе не может превышать скорость света в пустоте.
Таким образом, дедуктивные следствия из физичес ких постулатов привели Эйнштейна к построению раз вернутой содержательной теории, которую затем он на зовет частной, или специальной. Специальная теория относительности (СТО) обобщает классическую физи ку и электродинамику Максвелла и выступает как реля тивистская физика, в которой дается новая теория таких понятий, как масса, движение, пространство, время.
В классической физике пространство оторвано от времени, и они рассматриваются как абсолютные. Абсолютны они потому, что оторваны от движущихся материальных тел. Специальная теория относительности устанавливает зависи мость пространства и времени от скорости движения мате риальных тел. Кроме того, она устанавливает неразрывную связь пространства и времени, поскольку они изменяются синхронно, и притом в противоположных направлениях: при больших скоростях движения тел их линейный размер сокра щается в направлении движения, а ритмика течения времени растягивается. Поэтому рассмотрение физических событий должно относиться к единому четырехмерному пространст венно-временному континууму: х, у, z, t.
Свою критику классической механики Эйнштейн на чал с пересмотра «абсолютного времени», понимаемого как одновременность всех событий в мире. В класси ческой физике одновременности двух событий в точках пространства А и В обосновывалась переносом часов из одной точки в другую. Несостоятельность этого аргу мента вытекает из факта конечной скорости распрост ранения материальных взаимодействий. [3]
Хотя СТО базируется на рассмотрении инерциальных систем отсчета, она все же позволяет установить важную зависимость для ускоренного движения. В ре лятивистской физике считается, что чем выше ско рость движения тела, тем труднее увеличить ее. Пос кольку сопротивление изменению скорости тела на зывается его массой (инерционной), то отсюда следует, что масса тела возрастает с ростом скорости его дви жения. В классической механике массу рассматрива ют как постоянную величину - это релятивистская мас са покоя. В СТО массу считают переменной величиной, зависящей от скорости движения:
Это изменение массы можно обнаружить лишь при больших скоростях, например, при движении электро нов вокруг ядра атома, что и было затем установлено экспериментально.
После опубликования СТО Эйнштейн из зависимости массы от скорости движения математическим путем получил новое следствие - вывод о равенстве инертной и весовой массы.
Отсюда ученый сделал два радикальных вывода:
а) о равенстве весовой и инертной массы,
б) об эквивалентности массы и энергии.
Случай с кинетической энергией Эйнштейн обобщил на все формы энергии: энергия в любой форме ведет себя как масса. Энергия является массой, а масса представляет собой энергию. Энергия и масса преобразуются друг в друга по формуле:
E = m · c2
где Е - энергия, m - масса движущегося тела, с - скорость света в пустоте.
Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физи ческого познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения. Описание физичес ких процессов в СТО существенно связано с выбором системы коор динат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средства ми исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн в статье «К электродинамике движущихся тел» пишет: «Суждения всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процес сами»[5]. В СТО через осознание того, что нельзя дать описание физи ческого процесса самого по себе, можно только дать его описание по отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики непосредственно проявился диалектический характер про цесса познания, активность субъекта познания, неотрывное взаимодействие субъекта и объекта познания.