Переход від электро-магнитной теорії до спеціальної теорії относительности

Зміст Запровадження 3.

1. Теорія електромагнітного поля Максвелла 4.

2. Перехід від електромагнітної теорії Максвелла до СТО Ейнштейна 6.

3. Спеціальна теорія відносності А. Эйнштейна 11 Укладання 14 Список літератури 15.

Для фізика на початку ХІХ в. немає поняття про полі як реальної середовищі, що є носієм певних сил. Однак у першій половині в XIX ст. почалося становлення континуальної, польовий фізики. Поруч із виникненням хвильової теорії світла формувалася на цілком нову парадигма фізичного дослідження — польова концепція у фізиці. Тут особлива заслуга належить великому англійської фізику М. Фарадею.

Експериментальні відкриття Фарадея були добре відомі, і і ще при життя здобув надзвичайний авторитет і слава. Однак до його теоретичним поглядам сучасники у разі залишалися байдужими. Першим привернув до себе них серйозну увагу Дж.К.Максвелл. Він ці уявлення, розвинув їх та побудував теорію електромагнітного поля. Вироблена в оптиці поняття «ефір» і сформульоване теоретично електричних і магнітних явищ поняття «електромагнітне полі» спочатку зближуються, та був, вже на початку XX в., зі створенням спеціальної теорії відносності, повністю отождествляются.

Отже, поняття поля виявилося дуже корисним. Будучи спочатку лише допоміжної моделлю, це поняття стає у фізиці в XIX ст. все більш і більше конструктивної абстракцією. Вона дозволяла зрозуміти багато факти, вже відомі у області електричних і магнітних явищ, і пророкувати нові явища. Згодом ставало дедалі очевиднішим, що цим абстракції відповідає деяка реальність. Поступово поняття поля завоювало центральне місце у фізики й збереглося як один з основних фізичних понятий.

1. Теорія електромагнітного поля Максвелла.

Ця теорія представленій у вузьке та простий (витонченої) формі як шести рівнянь у приватних похідних. Система поглядів, яка в основу рівнянь Максвелла, отримав назву теорії електромагнітного поля Максвелла.

Хоча цей система рівнянь має простий вид, але сам Максвелл та її послідовники працювали з них, тим паче глибший зміст відкривався їм. Генріх Герц, який експериментально отримав електромагнітні випромінювання, передбачені теорією Максвелла, характеризував невичерпності рівнянь Максвелла. Герц зазначав: «Не можна вивчати цю дивовижну теорію, не відчуваючи за часом відчуття, ніби математичні формули живуть власним життям, мають власним розумом, — здається, що це формули розумнішими нас, розумнішими найбільш автора, наче вони дають нам більше, ніж у свого часу у яких було заложено».

Необхідно, проте, відзначити, що свої рівняння Максвелл отримував іноді всупереч правилам математики. Він вихідними були фізичні ідеї і міркування, що він наділяв самостійно в математичну форму. Тож сучасників його теорія виглядала дивно і незрозумілою, і багатьма вченими сприймалася скептично до того часу, поки Герц назву її всебічне експериментальне обгрунтування. [2].

Серед постійних велич, які входять у рівняння Максвелла, була константа з. Застосувавши рівняння до конкретного випадку, Максвелл знайшов, що вона точно збігається з швидкістю світла. Процес поширення поля буде тривати вічно як незатухающей хвилі, оскільки енергія магнітного поля була в порожнечі повністю перетворюється на енергію електромагнітного поля, і навпаки. Причому світло, як і й електромагнітний полі, поширюється у просторі як поперечних хвиль зі швидкістю з = 300 000 км/с. З усіх цих збігів видно, що світло має електромагнітну природу, що світловий потік — це потік електромагнітних хвиль. У світлових хвилях коливання роблять напруженості електричного і магнітного полів, а носієм хвилі служить саме простір, яке у стані напряжения.

Відкриття Максвелла можна порівняти з наукової значимості з відкриттям закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Праці Ньютона сприяли запровадження поняття загального закону тяжіння, праці Максвелла — до впровадження поняття електромагнітного поля і електромагнітної природи світла. Роботи Максвелла привели учених звернулися до визнанню нових типів реальності - електромагнітного поля, яке сумісно з матеріальними точками і речовинної масою класичної фізики. Поле — це нова фундаментальна фізична реальність. Тому ставлення до полі повинні бути як первинних, вихідних понять. Як зазначив А. Ейнштейн, електромагнітне полі непотрібні навіть у ефірі, оскільки полі саме є фундаментальної реальностью.

У працях з принципових питань фізики А. Ейнштейн впровадив поняття «програма Максвелла», яку твердив як «польову програму». Сам Ейнштейн стояв на позиціях польовий програми розвитку й остаточно свого життя прагнув побудувати єдину теорію поля, хоч і безуспішно. [2].

Наприкінці ХІХ століття теорія Максвелла почала відігравати провідної ролі у фізиці, разом із тим вона до в протиріччя з МКМ. Замість принципу дальнодействия вона висунула обгрунтувала цілком протилежний принцип близкодействия, за яким силове дію передається від точки до точці. Швидкість світла включено до нову теорію, що тільки у прихованій формі суперечить нескінченно великим швидкостям, допускаемым у «класичній фізиці. Нарешті, відкритий новим типом фізичної реальності - полі, яке зводиться ні з матеріальним точкам, ні з речовини, ні з атомам. Якщо до цього додати обнажившиеся протиріччя, та слабкі боку самої класичної фізики, стане зрозуміло, що наприкінці ХІХ століття стрімко наростав криза механістичної наукової картини мира.

2. Перехід від електромагнітної теорії Максвелла до СТО Эйнштейна.

Теорію Максвелла ряд авторів інтерпретують як — електромагнітну наукову картину світу. З цим погодитися: перехід від однієї НКМ в іншу може відбутися лише за умов, якщо розвиток природознавства призведе до якісно новому розумінні одного, а цілої групи базисних понять. Тоді як теорія Максвелла вочевидь висунула лише одне новий принцип — принцип близкодействия. У іншому він подолало рамки МКМ, оскільки вкладалася у яких, що саме не означає нової НКМ. Щоправда, теорія Максвелла першої подолало рамки МКМ, тому подальша ламка МКМ була продовженням справи, розпочатого Максвеллом.

З кінця XIX — початку ХХ століття вчені розпочали вивченню якісно нових об'єктів тоді як класичної фізикою, і основі був отримано низку принципово нових результатів, дозволили дати нове тлумачення деяким базисним понятиям.

Перше й, очевидно, найпотужніший впливом геть перебудову НКМ справила теорія відносності видатного фізика-теоретика ХХ століття Альберта Ейнштейна (1879−1955).

Бо у теорії відносності Ейнштейна великій ролі грає принцип відносності руху на формулюванні Ньютона, то корисно вкотре привести її. Вперше Україні цього принципу ввів Галілей, про що йшлося вище. З урахуванням ідей Декарта Ньютон уточнив і розширив формулювання Галілея. У частковості, як систем відліку він брав не тіла, а декартову систему координат. [2].

Серед систем відліку виділяють инерциальные, особливість яких у тому, що з них виконується принцип відносності движения.

Принцип відносності руху означає, що у всіх інерціальних системах відліку механічні процеси инвариантны. Інакше висловлюючись, два спостерігача в цій однієї й іншої инерциальной системі відліку побачать, що їх системах фізичні процеси протікають однаково. Це означає також дії, що перехід від однієї инерциальной системи відліку в іншу здійснюється за правилам галилеевых перетворень, розглянутих вище. І навпаки, якщо під час переходу від однієї системи відліку в іншу правила галилеевых перетворень вони не виконуються, те й принцип відносності руху не виконується, тому такі відліку ні инерциальными. Таким змістом наповнений принцип відносності руху на класичної механике.

Ейнштейн був тонким мислителем, вона завжди прагнув максимально впорядкувати логічний структуру фізичних теорій. Фізики-теоретики того часу, включаючи Ейнштейна, прагнули теоретично і логічно впорядкувати электродинамику Максвелла. У результаті таких зусиль постали нові теорії спеціальна і загальна теорія відносності Эйнштейна.

Теорії електромагнітного поля Максвелла були властиві два недостатка:

1. Вона не поєднується з принципом відносності руху класичної фізики, бо її рівняння виявилися неинвариантными щодо перетворень Галілея. То справді був суттєвий недолік, оскільки вся практика підтверджувала та підтверджує Україні цього принципу, й взагалі ніяка теорія не спростовує его.

2. Польова картина фізичної реальності Максвелла виявилася теоретично неповної і логічно суперечливою, оскільки трактування електричного поля і електрично заряджених частинок (носіїв поля) не була ув’язана концептуально. Ейнштейн підкреслював: теорія Максвелла хоч і правильно описує поведінка електрично заряджених частинок, але з дає теорії цих частинок. Отже, вони мають на основі класичної механіки як матеріальні точки, які працюють у просторі дискретно, що суперечить поняттю поля. Послідовна польова теорія вимагає безперервності всіх елементів теорії. [2].

Вирішення питання, дане Ейнштейном, оригінально і повчально. Об'єктом вивчення у класичної механіці були або матеріальні точки, чи точки простору, чи моменти часу. Він відкидає всі ці розділювальні «или».

Об'єктом теорії відносності виступають «фізичні події» як цілісні об'єкти, у яких об'єднані поняття матерії, руху, простору, часу. Фізичною реальністю, зазначав Ейнштейн, мають не точки простору й не моменти часу, лише самі події, певні чотирма числами x, у, z, t. «Закони природи приймуть найбільш задовільний з погляду логіки вид, будучи виражені як закони в чотиривимірному просторово-тимчасовому континуумі» [4].

Зупинимося тепер у розгляді першого нестачі. Аналіз показав, що рівняння Максвелла неинвариантны щодо галилеевых перетворень. Це означає, що з переході від однієї инерциальной системи відліку в іншу форма рівнянь опинялася різною. Це тому, що у різних системах відліку і той ж фізичний процес здійснювався за різними законами, що суперечить науці. Які ж уберегти теорію Максвелла від послуг цього недостатка?

У 1890 року Р. Герц штучно підібрав систему рівнянь, інваріантних щодо галилеевых перетворень, які у приватному разі спочиваючого тіла звертаються до рівняння Максвелла. Проте рівняння Герца суперечили досвідчено встановленому стабільності швидкості світла (300 000 км/с).

Ще одна варіант переробки рівнянь Максвола зробив голландський фізик-теоретик Г. Лоренц, але його рівняння виявилися неинвариантными щодо галилеевых преобразований.

І тоді надійшли, як у тому відомої притчі: «Якщо гора не йде до Магомеду, то Магомед йде до гори» Оскільки зірвалася переформулювати рівняння Максвелла те щоб вони почали інваріантними щодо галилеевых перетворень, то Лоренц зробив зворотний хід: вирішив самі правила галилеевых перетворень видозмінити (простіше, підігнати) те щоб стосовно цих правил рівняння Максвелла виявилися инвариантными.

Лоренцевы перетворення — це нові (які від галилеевых) правила переходу від однієї инерциалыюй системи відліку в іншу. Для однієї точки в декартовой системі координат без штрихів за переходу до системі відліку зі штрихами лоренцевы перетворення встановлюють такі правила: [pic].

Як кажуть, відмінність правил лоренцевых перетворень від галилеевых істотно. Це — відмінність стане більш зримим, якщо визначати не координату матеріальної точки, а розмір макроскопічного тіла, наприклад, жорсткого стрижня довжиною l. Такий стрижень має початкову і кінцеву точки на осі х1, x. Визначивши координати цих крапок і віднімаючи з координати з великим значенням координату із меншим значенням, одержимо математичне вираз для довжини (l) й у часу (t) рушійної стержня:

[pic].

Тут l-длина рушійної стрижня, l0 — довжина покоящеюся стрижня, v — швидкість руху стрижня (системи відліку), t — час спочиваючого стрижня, t0 — час рушійної стрижня, з — швидкість світла порожнечі. [2].

Розглянемо співвідношення l і t спочатку формально. При малих значеннях величини v, порівняно з швидкістю світла, значенням дробу і подкоренного висловлювання можна знехтувати. Тоді l = l0 і t = t0, що рівносильне поверненню від лоренцевых перетворень до галилеевым. Якщо ж значення величини v досить великі (порівнянні зі швидкістю світла), то значенням подкоренного висловлювання не можна знехтувати і вона зменшуватися. Відповідно цьому значення величини l зменшуватиметься, а значення величини t — зростати. У разі зі зростанням швидкість руху (v) різницю між перетвореннями Лоренца і перетвореннями Галілея будуть нарастать.

Отже, Лоренц штучно отримав нові правила переходу від однієї инсрпиалыюй системи в іншу. У цьому рівняння Максвелла виявляються інваріантними у різноманітних інерціальних системах відліку. Проте невідомої залишається реальність самих перетворень Лоренца: мають вони фізичний зміст чи пег? Оскільки цих правил отримані штучно, то сам Лоренц відмовлявся надавати їм фізичний сенс. Над ним довлели уявлення класичної фізики про незмінність простору й часу. [3].

Інакше підійшов до цього питання А. Ейнштейн. За фактом хорошою узгодженості лоренцевых перетворень з теорією Максвелла він вгадав реальний фізичний сенс самих перетворень. І тому він зробив спробу дедуктивного побудови теорії, яка наповнила перетворення Лоренца фізичним змістом. Інакше висловлюючись, він вирішив поглибити розуміння принципу відносності шляхом його розгортання в теорію относительности.

3. Спеціальна теорія відносності А.Эйнштейна.

Як постулатів дедуктивної теорії він прийняв дві засади. Насамперед — принцип відносності класичної фізики, різко розширивши його, поширивши його не на механічне рух, а й у електромагнітні і світлові процеси. Вже вихідної посилці Ейнштейн об'єднав класичну механіку і електромагнітну теорію Максвелла. У ролі другого постулату він узяв принцип сталості швидкості світла порожнечі. Оскільки швидкість світла ролі константи включено до рівняння Максвелла, то Ейнштейн прийняв цю константу й у класичної фізики. Тим більше що наприкінці ХІХ століття експериментально було надійно встановлено, що швидкість світла кінцева, хоч і велика. Пізніше було вважати, що швидкість снігу без неї становить приблизно 300 000 км/с.

Отже, постулатами приватної теорії відносності є два принципа.

1. Принцип відносності руху, якому Ейнштейн додав загальний характер, поширивши його з механічних на магнітні, електричні і світлові процессы.

2. Принцип сталості швидкості світла порожнечі, складової 300 000 км/с. Ця швидкість є максимальної можливої швидкістю поширення матеріальних взаимодействий.

З положень цих двох фізичних принципів Ейнштейн наново вивів математичні правила перетворення Лоренца. Але тепер математична форма співвідношень l і t наповнена фізичним змістом, оскільки з їхньою Ейнштейн вивів з фізичних посилок. З співвідношень l і t можна побачити, що, коли швидкість руху тіла стає порівнянною з швидкістю світла, лінійний розмір тіла фізично скорочується щодо його руху. Згодом відбуваються протилежні зміни: його протягом сповільнюється, ритміка течії часу розтягується. [1].

Якщо швидкість руху тіла наближається до швидкості світла, то тіло стискається у бік руху настільки, що перетворюється на пласку постать (вилізла). Отже, допускавшиеся у «класичній фізиці швидкості, перевищують швидкість світла порожнечі, немає фізичного сенсу. Звідси випливає, що швидкість поширення матеріальних взаємодій у природі неспроможна перевищувати швидкість світла пустоте.

Отже, дедуктивні слідства з фізичних постулатів привели Ейнштейна побудувати розгорнутої змістовної теорії, що потім він назве приватної, або спеціального. Спеціальна теорія відносності (СТО) узагальнює класичну фізику і электродинамику Максвелла й виступає як релятивістська фізика, у якій дається нова теорія таких понять, як маса, рух, простір, время.

У класичній фізиці простір відірване часу, і вони розглядаються як абсолютні. Абсолютні вони оскільки відірвані від рухомих матеріальних тіл. Спеціальна теорія відносності встановлює залежність простору й часу від швидкість руху матеріальних тіл. З іншого боку, вона встановлює нерозривний зв’язок простору й часу, оскільки вони змінюються одночасно, до того ж в протилежних напрямах: на великих швидкості тіл їх лінійний розмір скорочується у бік руху, а ритміка течії часу розтягується. Тому розгляд фізичних подій має ставитися до єдиного четырехмерному просторово-тимчасовому континууму: x, у, z, t.

Свою критику класичної механіки Ейнштейн почав із перегляду «абсолютного часу», витлумаченого як одночасність всіх подій у світі. У класичній фізиці одночасності двох подій у точках простору, А і У обґрунтовувалася перенесенням годин з однієї точки до іншої. Непереконливість цього аргументу випливає з факту кінцевої швидкості поширення матеріальних взаємодій. [3].

Хоча СТО виходить з розгляді інерціальних систем відліку, вона дозволяє встановити важливу залежність для прискореного руху. У релятивістської фізиці вважається, що вищий швидкість руху тіла, тим важче збільшити. Оскільки опір зміни швидкості тіла називається його масою (інерційної), то це означає, що маса тіла зростає зростанням швидкості його руху. У класичної механіці масу розглядають як постійну величину — це релятивістська маса спокою. У СТО масу вважають перемінної величиною, яка від швидкість руху: [pic].

Це зміна маси можна знайти лише за великих швидкостях, наприклад, під час руху електронів навколо ядра атома, що й потім встановлено экспериментально.

Після опублікування СТО Ейнштейн з залежності маси від швидкості руху математичним шляхом отримав нове слідство — висновок про рівність інертної і ваговій массы.

Звідси учений зробив два радикальних вывода:

а) про рівність ваговій і інертної маси, б) про еквівалентність є і энергии.

Випадок із кінетичної енергією Ейнштейн узагальнив попри всі форми енергії: енергія у будь-якій формі поводиться як маса. Енергія є масою, а маса є енергію. Енергія і безліч перетворюються один у друга за такою формулою: E = m · c2 де Є - енергія, m — маса рушійної тіла, з — швидкість світла пустоте.

Заключение

.

Створення СТО було якісно новим кроком у розвитку фізичного пізнання. Від класичної механіки СТО особливий тим, що у фізичне опис релятивістських явищ органічно входить спостерігач зі засобами спостереження. Опис фізичних процесів в СТО істотно пов’язані з вибором системи координат. Фізична теорія описує не фізичний процес сам собою, а результат взаємодії фізичного процесу з засобами дослідження. Звертаючи цього увагу, Ейнштейн статті «До електродинаміку рухомих тіл» пише: «Судження будь-якої теорії стосуються співвідношень між твердими тілами (координатными системами), годинами і електромагнітними процессами"[5]. У СТО через усвідомлення, що не можна дати опис фізичного процесу самого собою, можна тільки дати його опис стосовно визначеною системою відліку, вперше у історії фізики безпосередньо проявився діалектичний характер процесу пізнання, активність суб'єкта пізнання, невідривне взаємодія суб'єкта і об'єкта познания.

1. Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства. — М.: Центр, 2001. — 208с. 2. Мотылева К. С., Скоробогатов В. А., Судариков А. М. Концепції сучасного природознавства. — СПб.: Союз, 2000. — 320с. 3. Найдыш В. М. Концепції сучасного природознавства. — М.: Гардарики, 2000. — 476с. 4. Пахомов Б. Я. Становлення сучасній науковій картини світу. — М., 1995. 5. Ейнштейн А. Збори наукової праці. — М.: Просвітництво, 1987.