ТЕМА 5. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ СЕРЕДИНЫ ХХ ВЕКА И ФОРМИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННОЙ КАРТИНЫ МИРА
Фундаментальные противоречия в основаниях классической механики
Создание теории электромагнитного поля поставили перед физиками задачу выяснить, распространяется ли принцип относительности движения Галилея (во всех инерциальных системах, т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу, применимы одни и те же законы механики), справедливый для механических явлений, на электромагнитное поле?
|
|
|
Рисунок 2.
Допустим система X'Y'0' (рис. 2) с источником света (скорость света с) движется со скоростью V по отношению к неподвижной системе XYO. Тогда в соответствии с принципом относительности:
· для наблюдателя в системе X'Y'0' скорость света будет одинаковаи равна с;
· для наблюдателя в системе XYO скорость света будет различной и равна V1 = с ± V.
Вместе с тем ряд опытов, которые были поставлены еще в XIX в., показал, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо от того, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того, как он движется
Такой эксперимент в 1887 г. был проведен А. Майкельсоном. Он сравнил время прохождения светом определенного расстояния S туда и обратно – первый раз вдоль движения Земли, а второй раз, в направлении, перпендикулярном этому движению. Результаты этого эксперимента достоверно свидетельствовали, что на скорость света не влияет движение Земли.
Для того чтобы объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона, Г.А. Лоренц высказали в 1892 г. гипотезу, согласно которой размеры каждого движущегося в эфире тела уменьшаются в направлении движения относительно эфира в 1/(1 - v2/с2)1/2 раз. Эта гипотеза чисто формально объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона, не давая никаких разумных теоретических объяснений причин изменения размеров тел, и вместо преобразований Галилея ввел новую формальную систему преобразований, которая получила название «преобразования Лоренца»:
; ;
Заметим, что при скоростях системы, существенно меньших скорости света (т.е. v << с), отношение v2 /с2 —> 0 и тогда преобразования Лоренца превращаются в классические преобразования Галилея.
Таким образом, к рубежу XIX—XX вв. развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных положений классической механики:
1) скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света;
2) в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы (принцип относительности);
3) координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея.
Было ясно, что эти три положения не могут быть объединены, поскольку они несовместимы.
Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности
В сентябре 1905 г. в немецком журнале «Annalen der Physik» появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которые объясняли и отрицательный результат опыта Майкельсона, и смысл преобразований Лоренца и, кроме того, содержали новый взгляд на пространство и время.
Принципы СТО:
· Всеобщий принцип относительности: и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны.
· Постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета.
Выводы о закономерностях пространственно-временных отношений вещей:
1. Длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна.
2. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимися с различной скоростью часами.
3. Масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в соотношении Е = тс2.
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.
Создание и развитие общей теории относительности
Классическая механика и СТО формулируют закономерности физических явлений только для инерциальных систем отсчета, не предлагая средств для реального выделения таких систем. Вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы.
Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения – распространение принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, то в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно так формулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание общего принципа относительности.
Это означает, что точно так же, как нельзя говоритьо скороститела вообще безотносительно к какому-нибудь телу, так, очевидно, иускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому фактору, вызывающему и определяющему его.
Дата добавления: 2020-10-01; просмотров: 302;