Развитие представлений о пространстве и времени

Во второй половине XIX в. физики все чаще анализируют фундаментальные основания классической механики. Прежде всего, это касается понятий пространства и времени. Рядом физиков вместо понятия абсолютной системы отсчета вводится понятие инерциальной системы отсчета (это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга). Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея.

	Y
		O1		XX1
		О

Рис. 1. Преобразования Галилея

Если система отсчета X¹0¹Y¹ (рис. 1) движется прямолинейно и равномерно со скоростью v относительно системы отсчета XOY в течение времени t, то 00¹ = vt,

а координаты точки Р этих системах отсчета связаны между собой следующими соотношениями: X¹=X-vt, Y¹ =Y, t¹ =t.

Преобразования Галилея в течение столетий считались само собой разумеющимися и не нуждающимися в обосновании. Но время показало, что это не так.

3.5.5 Великие открытия конца XIX начала XX века, которые привели к новой научной революции.

КонецXIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые привели к научной революции на рубеже XIX—XX вв.

В 1895 г. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Были выяснены необычные свойства этих лучей (способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т.д.), но их природа оставалась неясной.

Открытие Томсоном первой элементарной частицыэлектрона и определение его заряда и массы.

В 1896 г. Беккерель открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли.

К великим открытиям второй половины XIX в. следует также отнести создание Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Герцем, открытие явления фотоэффекта, проанализированное А.Г. Столетовым. В этом же ряду обнаружение того, что отношение заряда электрона к его массе не является посто­янной величиной, а зависит от скорости электрона.

Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX—ХХ вв. А. Пуанкаре назвал кризисом физики.

Тема 4. Современная физическая картина мира. Научная революция в физике начала XX в.: возникновение релятивистской и квантовой физики.

4.1 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.

4.2. 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.

4.3. 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.