Контрольная: Переход от электро-магнитной теории к специальной теории относительности

Содержание

Введение. 3

1. Теория электромагнитного поля Максвелла. 4

2. Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна. 6

3. Специальная теория относительности А.Эйнштейна. 11

Заключение. 14

Список литературы.. 15

Введение

Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как реаль­ной среде,

являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось

становление континуальной, полевой фи­зики. Одновременно с возникновением

волновой теории света фор­мировалась совершенно новая парадигма физического

исследова­ния — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадле­жит

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 остава­лись безразличными. Первым обратил на них

серьезное внимание Дж.К.Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и

по­строил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике по­нятие

«эфир» и сформулированное в теории электрических и магнит­ных явлений понятие

«электромагнитное поле» сначала сближают­ся, 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 электри­ческих и магнитных явлений, и предсказывать новые

явления. Со временем становилось все более очевидным, что этой абстракции

соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие поля за­воевало

центральное место в физике и сохранилось в качестве одного из основных

физических понятий.

1. Теория электромагнитного поля Максвелла

Эта теория представлена в сжатой и простой (изящной) форме в виде шести

уравнений в част­ных производных. Система взглядов, которая легла в основу

уравнений Максвелла, получила название теории электромагнитного поля

Макс­велла.

Хотя эта система уравнений имеет простой вид, но чем больше сам Максвелл и

его последователи работали над ни­ми, тем более глубокий смысл открывался им.

Генрих Герц, который экспериментально получил электромагнитные из­лучения,

предсказанные теорией Максвелла, говорил о неис­черпаемости уравнений

Максвелла. Герц отмечал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не

испытывая по време­нам такого чувства, будто математические формулы живут

собственной жизнью, обладают собственным разумом, - ка­жется, 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 матема­тики. Для него исходными были физические идеи и

со­ображения, которые он облекал самостоятельно в ма­тематическую 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 обос­нование. [2]

Среди постоянных величии, входящих в уравнение Макс­велла, была константа с.

Применив уравнение к конкретному случаю, Максвелл нашел, что она точно

совпадает со ско­ростью света. Процесс распространения поля будет

продол­жаться 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,

распространя­ется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 300

000 км/с. Из всех этих совпадений видно, что свет име­ет электромагнитную

природу, что световой поток - это по­ток электромагнитных волн. В световых

волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного по­лей,

а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии

напряжения.

Открытие Максвелла сравнимо по научной значимо­сти с открытием закона

всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению понятия

всеобще­го закона тяготения, труды Максвелла - к введению понятия

электромагнитного поля и электромагнит­ной природы света. Работы Максвелла

привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнит­ного поля,

которое не совместимо с материальными точками и вещественной массой

классической физики. Поле - это новая фундаментальная физическая реаль­ность.

Поэтому представления о поле должны высту­пать в качестве первичных, исходных

понятий. Как отме­чал А. Эйнштейн, электромагнитное поле не нуждается даже в

эфире, поскольку поле само является фундамен­тальной реальностью.

В работах по принципиальным вопросам физики А. Эйн­штейн ввел понятие

«программа Максвелла», которую тол­ковал как «полевую программу». Сам

Эйнштейн стоял на по­зициях 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

дальнодейст­вия она выдвинула и обосновала прямо противоположный принцип

близкодействия, согласно которому сило­вое действие передается от точки к

точке. Скорость све­та 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 про­тиворечия и слабые стороны самой классической фи­зики, то

станет понятно, что в конце XIX века стре­мительно нарастал кризис

механистической научной картины мира.

2. Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна

Теорию Максвелла ряд авторов интерпретируют как но­вую - электромагнитную

научную картину мира. С этим нельзя согласиться: пере­ход от одной НКМ к

другой может совершиться лишь при условии, если развитие естествознания

приведет к качест­венно новой трактовке не одного, а целой группы базисных

понятий. Тогда как теория Максвелла в явном виде выдви­нула лишь один новый

принцип - принцип близкодейст­вия. В остальном она просто вышла за рамки МКМ,

посколь­ку 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 продолжени­ем 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, позво­ливших дать новое

истолкование некоторым базисным понятиям.

Первое и, по-видимому, самое мощное влияние на перестройку НКМ оказала теория

относительности выдающегося физика-теоретика XX столетия Альбер­та Эйнштейна

(1879-1955).

Поскольку в теории относительности Эйнштейна большую роль играет принцип

относительности движения в формули­ровке Ньютона, то полезно еще раз привести

ее. Впервые этот принцип ввел Галилей, о чем говорилось выше. С уче­том идей

Декарта Ньютон уточнил и расширил формулиров­ку 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 прин­цип относительности движения.

Принцип относительности движения означает, что во всех инерциальных системах

отсчета механические процессы ин­вариантны. Иначе говоря, два наблюдателя в

одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что в их системах

фи­зические 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 пре­образований 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 вре­мени,

включая Эйнштейна, стремились теоретически и ло­гически 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 относительно­сти движения классической

физики, поскольку ее урав­нения оказались неинвариантными относительно

пре­образований Галилея. Это был существенный изъян, поскольку вся практика

подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая теория не опровергает

его.

2. Полевая картина физической реальности Макс­велла оказалась теоретически

неполной и логически противоречивой, так как трактовка электрического по­ля и

электрически заряженных частиц (носителей поля) не была увязана

концептуально. Эйнштейн отмечал: тео­рия 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 точ­ки, расположенные в пространстве дискретно, что

про­тиворечит 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 со­бытия» как целостные

объекты, в которых объединены по­нятия материи, движения, пространства,

времени. Физической реальностью, отмечал Эйнштейн, обладают не точки

прост­ранства и не моменты времени, а только сами события, опре­деленные

четырьмя числами х, у, z, t. «Законы природы при­мут наиболее

удовлетворительный с точки зрения логики вид, будучи выражены как законы в

четырехмерном пространст­венно-временном континууме» [4].

Остановимся теперь на рассмотрении первого не­достатка. Анализ показал, что

уравнения Максвелла неинвариантны относительно галилеевых преобразо­ваний.

Это значит, что при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой

форма уравнений оказывалась разной. Это равносильно тому, что в раз­ных

системах отсчета один и тот же физический процесс осуществлялся по разным

законам, что противоречит науке. Как же уберечь теорию Максвелла от этого

не­достатка?

В 1890 году Г. Герц искусственно подобрал систему урав­нений, инвариантных

относительно галилеевых преобразо­ваний, которые в частном случае покоящегося

тела обраща­ются в уравнения Максвелла. Однако уравнения Герца про­тиворечили

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: «Ес­ли 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 преобразо­ваний видоизменить (проще говоря, подогнать)

так, чтобы относительно этих правил уравнения Максвелла оказались

инвариантными.

Лоренцевы преобразования - это новые (отличные от га­лилеевых) 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 сле­дующие 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 стерж­ня 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 стерж­ня, 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 пре­небречь. 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 пре­небречь и оно

будет уменьшаться. Соответственно этому значение величины l будет

уменьшаться, а значение величи­ны t - возрастать. В таком случае с ростом

скорости движе­ния (v) различия между преобразованиями Лоренца и

пре­образованиями Галилея будут нарастать.

Итак, Лоренц искусственно получил новые правила перехода от одной инсрпиалыюй

системы к другой. При этом уравнения Максвелла оказываются инвариант­ными в

любых инерциальных системах отсчета. Одна­ко неизвестной остается реальность

самих преобразо­ваний 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 преобразо­ваний. Для этого он предпринял попытку дедук­тивного

построения теории, которая бы наполнила преобразования Лоренца физическим

смыслом. Иначе говоря, он задался целью углубить пони­мание принципа

относительности путем его раз­вертывания в теорию относительности.

3. Специальная теория относительности А.Эйнштейна

В качестве постулатов дедуктивной теории он принял два принципа. Прежде всего

- принцип относительности клас­сической 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 тео­рию Максвелла. В

качестве второго постулата он взял прин­цип постоянства скорости света в

пустоте. Поскольку скорость света в качестве константы включена в уравнения

Максвел­ла, 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 отно­сительности являются два

принципа.

1. Принцип относительности движения, которому Эйнштейн придал всеобщий

характер, распространив его с механических на магнитные, электрические и

све­товые процессы.

2. Принцип постоянства скорости света в пустоте, со­ставляющей 300 000

км/с. Эта скорость является макси­мальной возможной скоростью распространения

ма­териальных взаимодействий.

Из этих двух физических принципов Эйнштейн заново вывел математические правила

преоб­разования Лоренца. Но теперь математическая форма соотношений l и

t наполнена физичес­ким смыслом, поскольку их Эйнштейн вывел из физических

посылок. Из соотношений l и t можно видеть, что, когда скорость

движения те­ла становится сравнимой со скоростью света, ли­нейный размер

тела физически сокращается в на­правлении его движения. Со временем

происходят противоположные изменения: его течение замед­ляется, 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, пре­вышающие

скорость света в пустоте, не имеют физического смысла. Отсюда следует, что

скорость распространения ма­териальных взаимодействий в природе не может

превышать скорость света в пустоте.

Таким образом, дедуктивные следствия из физичес­ких постулатов привели

Эйнштейна к построению раз­вернутой содержательной теории, которую затем он

на­зовет частной, или специальной. Специальная теория относительности (СТО)

обобщает классическую физи­ку и электродинамику Максвелла и выступает как

реля­тивистская 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 зависи­мость

пространства и времени от скорости движения мате­риальных 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 сокра­щается в направлении

движения, а ритмика течения времени растягивается. Поэтому рассмотрение

физических событий должно относиться к единому четырехмерному

пространст­венно-временному континууму: х, у, z, t.

Свою критику классической механики Эйнштейн на­чал с пересмотра «абсолютного

времени», понимаемого как одновременность всех событий в мире. В

класси­ческой физике одновременности двух событий в точках пространства А и В

обосновывалась переносом часов из одной точки в другую. Несостоятельность

этого аргу­мента вытекает из факта конечной скорости распрост­ранения

материальных взаимодействий. [3]

Хотя СТО базируется на рассмотрении инерциальных систем отсчета, она все же

позволяет установить важную зависимость для ускоренного движения. В

ре­лятивистской физике считается, что чем выше ско­рость движения тела, тем

труднее увеличить ее. Пос­кольку сопротивление изменению скорости тела

на­зывается его массой (инерционной), то отсюда следует, что масса тела

возрастает с ростом скорости его дви­жения. В классической механике массу

рассматрива­ют как постоянную величину - это релятивистская мас­са покоя. В

СТО массу считают переменной величиной, зависящей от скорости движения:

Это изменение массы можно обнаружить лишь при больших скоростях, например,

при движении электро­нов 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.

Заключение

Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физи­ческого познания.

От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание

релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами

наблюдения. Описание физичес­ких процессов в СТО существенно связано с

выбором системы коор­динат. Физическая теория описывает не физический процесс

сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средства­ми

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

процес­сами»[5]. В СТО через осознание того, что нельзя дать описание

физи­ческого процесса самого по себе, можно только дать его описание по

отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики

непосредственно проявился диалектический характер про­цесса познания,

активность субъекта познания, неотрывное взаимодействие субъекта и объекта

познания.

Список литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2001.

– 208с.

2. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции

современного естествознания. – СПб.: Союз, 2000. – 320с.

3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики,

2000. – 476с.

4. Пахомов Б.Я. Становление современной научной картины мира. – М., 1995.

5. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. – М.: Просвещение, 1987.