Az elektrodinamika fejlődése új elképzelésekhez vezetett a térről és az időről. A klasszikus, évszázadok óta megingathatatlannak tekintett tér- és időfelfogás szerint a mozgásnak nincs hatása az idő múlására (az idő abszolút), bármely test lineáris méretei nem függenek attól, hogy a test nyugalomban van-e vagy mozog ( a hossza abszolút). A térről és időről szóló régi, klasszikus elképzeléseket egy új doktrína váltotta fel – Einstein speciális relativitáselmélete.
Miután Maxwell a 19. század második felében megfogalmazta az elektrodinamika alaptörvényeit, a tudósok rájöttek, hogy Galilei relativitáselmélete nehezen alkalmazható az elektromágneses jelenségekre. Felmerült a kérdés: előfordulnak-e elektromágneses folyamatok (töltések és áramok kölcsönhatása, terjedés). elektromágneses hullámokés így tovább) ugyanaz minden inerciális vonatkoztatási rendszerben? A kérdés megválaszolásához azt kell kideríteni, hogy az elektrodinamika alaptörvényei megváltoznak-e az egyikről való mozgás során inerciarendszer másikra, vagy Newton törvényeihez hasonlóan változatlanok maradnak. Az elektrodinamika törvényei összetettek. Szerintük az elektromágneses hullámok terjedési sebessége vákuumban minden irányban azonos, és egyenlő 300 millió méter/sec. Másrészt azonban Newton mechanikai törvényei szerint ez a sebesség csak egy választott vonatkoztatási rendszerben lehet 300 millió. Bármilyen más vonatkoztatási rendszerben, amely az első képkockához képest más sebességgel mozog, a fénysebességnek már egyenlőnek kell lennie ezen sebességek különbségével. Ez azt jelenti, hogy ha a sebességek összeadásának szokásos törvénye érvényes, akkor az egyik tehetetlenségi rendszerből a másikba való átmenet során az elektrodinamika törvényeinek ugyanúgy kell változniuk, mint a mechanika törvényeinek. Felfedeztünk bizonyos ellentmondásokat az elektrodinamika és a mechanika között.
Bizonyos ellentmondásokat fedeztek fel az elektrodinamika és a newtoni mechanika között, amelyek törvényei összhangban vannak a relativitás elvével. Az első lehetőség az volt, hogy tarthatatlannak nyilvánították az elektromágneses jelenségekre alkalmazott relativitáselvet. Ezt a nézetet osztotta a nagy holland fizikus, az elektronikai elmélet megalapítója, H. Lorentz. Ezen elmélet szerint az inerciális vonatkoztatási rendszer az éterhez képest nyugalomban egy speciális, preferenciális rendszer, mivel elektromágneses jelenségek Faraday óta egy különleges, mindent átható, minden teret betöltő közegben - a „világéterben” - zajló folyamatoknak tekintik őket. Ha a fénysebesség csak egy referenciakeretben, valamilyen inerciarendszerben lenne 300 000 km/s, akkor kimutatható lenne, hogy ez a keret hogyan mozog az éterhez képest. Ahogy a szél a levegőhöz képest mozgó referenciarendszerben jelenik meg, úgy egy bizonyos rendszer éteréhez viszonyított mozgáskor „éteri szelet” kell észlelni. Ha természetesen az éter létezik. A második lehetőség az, hogy a Maxwell-egyenleteket helytelennek tekintjük, és megpróbáljuk úgy megváltoztatni, hogy az egyik inerciarendszerből a másikba való átmenet során ne változzanak (a térről és időről szóló szokásos, klasszikus elképzeléseknek megfelelően). A. Michelson és E. Morley amerikai tudósok 1881-ben végeztek kísérletet az „éteri szél” kimutatására. Ezt az elképzelést Maxwell fejtette ki 12 évvel korábban. Ez abból állt, hogy megfigyelték az interferenciaperemek elmozdulását, és megmérték a fény késéseinek különbségét, amint az a Föld keringési mozgása mentén és keresztben terjed. Ilyen kísérletet még korábban Heinrich Hertz tett. Feltételezése szerint az étert a mozgó testek teljesen elviszik, ezért az elektromágneses jelenségek ugyanúgy zajlanak le, függetlenül attól, hogy a test nyugalomban van vagy mozog. Itt a relativitás elve érvényesül. Például Hertz elmélete szerint, amikor a víz mozog, teljesen magával viszi a benne terjedő fényt, mivel elviszi az étert, amelyben a fény terjed. A tapasztalat azt mutatja, hogy a valóságban ez nem így van. E nehézségek megoldásának harmadik lehetősége a klasszikus tér-időfogalmak elhagyása. Ebben az esetben a relativitás elve és a Maxwell-törvények egyaránt megőrizhetők. Ebből a szempontból kiderül, hogy a mechanika törvényeit kell megváltoztatni, nem pedig Maxwell elektrodinamikai törvényeit. A harmadik lehetőség bizonyult az egyetlen helyesnek. Ezt az elméletet következetesen továbbfejlesztve Albert Einstein új elképzelésekhez jutott a térről és az időről. Megalkotta a tér és idő új elméletét, amelyet ma speciális relativitáselméletnek neveznek. Elméletét a nem inerciális vonatkoztatási rendszerekre általánosítva Einstein megkonstruálta általános elmélet relativitás. Ő képviseli modern elmélet gravitáció. Einstein először vezette be a fényrészecskék fogalmát, ezeket fotonoknak nevezik. Kísérleteiben összehasonlította a fény sebességét a Föld mozgásának irányában és a merőleges irányban. Einstein nagyon pontosan végzett méréseket a Michelson által kifejlesztett speciális interferométerrel
és most az ő nevét viseli. A kísérleteket különböző napszakokban és különböző évszakokban végezték. Ugyanakkor nem lehetett kimutatni a Föld mozgását az éterhez képest. Az egész olyan volt, mintha kidugta volna a fejét az autó ablakán, és 100 km/h-nál nem vette volna észre a szembeszélt. Így a kedvezményes referenciakeret létezésének gondolata nem állta ki a kísérleti tesztelést. Ez viszont azt jelentette, hogy nem létezett olyan speciális közeg - a "világító éter" -, amelyhez ilyen preferenciális vonatkoztatási rendszer társulhatna. Most már könnyű összeegyeztetni a relativitás elvét Maxwell elektrodinamikájával. Ehhez fel kell adnunk a térről és időről szóló klasszikus elképzeléseket, amelyek szerint a távolságok és az idő múlása nem függ a vonatkoztatási rendszertől.
Az általunk vizsgált relativitáselmélet két posztulátumon alapul. A relativitás elve Einstein elméletének első és fő posztulátuma. A következőképpen fogalmazható meg: a természet minden folyamata azonos módon megy végbe minden inercia vonatkoztatási rendszerben. Ez azt jelenti, hogy minden inerciarendszerben a fizikai törvények azonos formájúak. A második posztulátum: a fény sebessége vákuumban minden inerciális vonatkoztatási rendszerben azonos. A fénysebességnek különleges helyzete van. Amint a relativitáselmélet posztulátumaiból következik, a fény sebessége vákuumban maximális lehetséges sebesség kölcsönhatások átadása a természetben. Az egyidejűség relativitásában rejlik a paradoxon megoldása gömbi fényjelekkel, írjuk le a helyzetet. A fény egyidejűleg olyan gömbfelület pontjait éri el, amelyek középpontja O pontban van, csak a K (ka) rendszerhez képest nyugvó megfigyelő szemszögéből. A K1 (ka-1) rendszerhez tartozó megfigyelő szemszögéből a fény különböző időpontokban éri el ezeket a pontokat. Természetesen ennek az ellenkezője is igaz: a K (ka) rendszerben a fény az O1 (o-1) középpontú gömb felületének pontjait különböző időpontokban éri el, és nem egyidejűleg, ahogy az a megfigyelő számára látszik. a K1 (ka-1) rendszerben. Ebből az következik, hogy a valóságban nincs paradoxon. A 20. század elejéig senki sem kételkedett abban, hogy az idő abszolút. Vagyis amikor két, a Föld lakói számára egyidejű esemény, bármely űrcivilizáció lakói számára egyidejű. A relativitáselmélet megalkotása megmutatta, hogy ez nem így van. Az abszolút idő elképzelése, amely egyszer s mindenkorra egy adott ütemben folyik, teljesen függetlenül az anyag szerkezetétől és mozgásától, tévesnek bizonyul. "Egy perc relatív érték: ha randevúzsz egy csinos lánnyal, akkor az egy pillanat alatt elrepül, de ha egy forró tűzhelyen ülsz, akkor az örökkévalóságnak fog tűnni." Maga Einstein is így próbálta megmagyarázni egyszerű szavakkal relativitáselméletét. Valóban, ha feltételezzük a jelek pillanatnyi terjedését, akkor annak az állításnak, miszerint két, egymástól térben elválasztott A és B pontban az események egyidejűleg történtek, abszolút értelme van. Bármely esemény, például két villámcsapás, egyidejű, ha a szinkronizált órák azonos leolvasása mellett következnek be. Csak az A és B pontok szinkronizált óráival lehet megítélni, hogy két esemény történt-e egyidejűleg ezekben a pontokban vagy sem. Az órák szinkronizálásához helyesebb lenne általában fény- vagy elektromágneses jelekhez folyamodni, mivel az elektromágneses hullámok sebessége vákuumban szigorúan meghatározott, állandó ok. Pontosan ezt a módszert alkalmazzák az órák rádión keresztüli ellenőrzésekor. Nézzük meg közelebbről az egyiket egyszerű módszerekóraszinkronizálás, amely nem igényel számításokat. Tegyük fel, hogy egy űrhajós azt akarja kideríteni, hogy az ellentétes végekre telepítettek ugyanúgy működnek-e. űrhajó A és B óra (legyen). Ehhez a hajó közepén elhelyezkedő és ahhoz képest mozdulatlan forrást használva az űrhajós fényvillanást hoz létre. A fény egyszerre éri el mindkét órát. Ha az óraállás ebben a pillanatban megegyezik, akkor az órák szinkronban vannak. De ez csak a hajóhoz társított referenciakeret tekintetében lesz igaz. Abban a referenciarendszerben, amelyhez képest a hajó mozog, más a helyzet. A hajó orrában lévő óra eltávolodik attól a helytől, ahol a fényforrás felvillant, és az A óra eléréséhez a fénynek a hajó hosszának felénél nagyobb távolságot kell megtennie. A faron lévő óra (be) pedig közeledik a lobbanásponthoz, és a fényjel útja kevesebb, mint a hajó hosszának a fele. Ezért a hajóhoz tartozó rendszerben tartózkodó megfigyelő arra a következtetésre jut, hogy a jelek egyszerre érik el mindkét órát. Bármely két esemény az A és B (be) pontban egyidejűleg történik a hajóhoz tartozó vonatkoztatási rendszerben, és nem egyidejű abban a keretben, amelyhez képest a hajó mozog. De a relativitás elve miatt ezek a rendszerek teljesen egyenrangúak. Ezen rendszerek egyike sem részesíthető előnyben. Ezért arra a következtetésre kell jutnunk, hogy a térben elkülönülő események egyidejűsége relatív. Az egyidejűség relativitásának oka, mint látjuk, a hangjelek véges terjedési sebessége. A relativitáselmélet posztulátumaiból számos fontos következmény következik a tér és az idő tulajdonságait illetően. Két relativisztikus hatás figyelhető meg. Először is, mozgó referenciakeretekben a test méretei lecsökkennek. Másodszor, az idődilatációt egy mozgó referenciakeretben figyeljük meg.
Mivel a mozgó vonatkoztatási rendszerekben a test lineáris méretei csökkennek, ez a jelenség oda vezet, hogy a mozgó keretben lévő test tömege ennek megfelelően nő.
Nyilvánvaló, hogy a sebességek összeadásának klasszikus törvénye nem érvényes, mivel ellentmond a fénysebesség vákuumban való állandóságáról szóló állításnak. Felírjuk a sebességek összeadásának törvényét arra az esetre, amikor a test a K1 (ka-1) referenciakeret X1 (x-1) tengelye mentén mozog, ami viszont egy bizonyos relatív sebességgel mozog. a K referenciakerethez. Jelöljük a test sebességét K-hez képest ve1-en keresztül, és ugyanezen test sebességét K-hoz képest ve2-n keresztül. Ekkor a sebességek összeadásának relativisztikus törvénye így fog kinézni:
Mozgás közben minden fizikai folyamat lelassul, valamint kémiai reakciók az emberi testben. Érdemes megfontolni Einstein speciális relativitáselméletéből fakadó legérdekesebb következményeket. Az „óraparadoxon”, más néven „ikerparadoxon” egy gondolatkísérlet, melynek segítségével a speciális relativitáselmélet következetlenségét próbálják „bizonyítani”.A speciális relativitáselmélet szerint a ponttól A „stacionárius” megfigyelők szemszögéből a mozgó objektumokban lelassul minden folyamat. Másrészt viszont ugyanaz a relativitáselmélet deklarálja az összes inerciális vonatkoztatási rendszer egyenlőségét. Ez alapján egy érvelés épül fel, amely egy látszólagoshoz vezet ellentmondás. Az érthetőség kedvéért két ikertestvér történetét vesszük figyelembe. Az egyikük (a továbbiakban: utazó) űrrepülés, a második (a továbbiakban: otthontest) a Földön marad. A paradoxon a következőben rejlik: a heverőburgonya szempontjából a mozgó utazó órája lassan múlik az időben, így a Földre való visszatérés után le kell maradnia a kanapékrumpli órájától. A Föld mozgott az utazóhoz képest, ami azt jelenti, hogy az otthoni test órájának le kell maradnia. De harmadrészt a testvérek egyenlő jogokkal rendelkeznek, ezért visszatérés után az óráiknak ugyanazt az időt kell mutatniuk. Einstein relativitáselméletének posztulátumai is könnyen megmagyaráznak egy ilyen érdekes jelenséget világűr mint egy fekete lyuk. A fekete lyuk egy hatalmas csillag gravitációs összenyomásával jön létre. Ha egy csillag tömege több mint 2-3-szorosa a Nap tömegének, akkor ennek a csillagnak a magja összehúzódik, és olyan sűrűséget ér el, hogy még a fény sem tudja legyőzni a környező kozmikus testek gravitációs erejét. Einstein Albert (1879-1955) - nagy fizikus XX század Létrehozott egy új doktrínát a térről és az időről - speciális elmélet relativitás. Ezt az elméletet a nem inerciális vonatkoztatási rendszerekre általánosítva kidolgozta az általános relativitáselméletet, amely a modern gravitációelmélet. Először vezette be a fényrészecskék – fotonok – fogalmát. Elméleti munkája Brown-mozgás az anyag szerkezetének molekuláris kinetikai elméletének végső győzelméhez vezetett. megjósolta" kvantum teleportáció"és a giromágneses Einstein-de Haas-effektus. 1933 óta a kozmológiai és az egyesített térelmélet problémáival foglalkozott. Albert Einsteinnek köszönhetően a tudomány felülvizsgálta a tér és idő fizikai lényegének megértését; új gravitációs elméletet épített fel Newton elméletének helyére. Einstein és Planck lerakták az alapokat kvantum elmélet. Mindezeket az elképzeléseket kísérletek többször is megerősítették, és a modern fizika alapját képezik.
A 19. század második felében D. Maxwell megfogalmazta az elektrodinamika alaptörvényeit. Ugyanakkor kétségek merültek fel Galilei mechanikai relativitáselméletének érvényességével kapcsolatban az elektromágneses jelenségekkel kapcsolatban. Emlékezzünk a relativitáselmélet mechanikai elvének lényegére.
Ha a vonatkoztatási rendszerek egymáshoz képest egyenletesen és egyenes vonalúan mozognak és az egyikben Newton dinamikai törvényei érvényesek, akkor ezek a rendszerek tehetetlenek. Minden inerciális vonatkoztatási rendszerben a klasszikus dinamika törvényei azonos alakúak (invariáns); ez a lényege a mechanikus relativitáselvnek vagy Galilei relativitáselvének.
Ennek az elvnek a bizonyításához vegyünk két referenciarendszert: az inerciarendszert NAK NEK(koordinátákkal x, y, z), amelyet hagyományosan állónak és mozgó rendszernek fogunk tekinteni K"(koordinátákkal x", y", z"), viszonyítva mozog NAK NEK egyenletesen és egyenesen sebességgel u= konst. Tegyük fel, hogy az idő kezdeti pillanatában t= 0 kezdés OÉs ó" mindkét koordinátarendszer egybeesik. Koordinátarendszerek elhelyezkedése tetszőleges időpontban tábrán látható formája van. 5.1. Sebesség u egyenes vonal mentén irányítva OO", és a pontból húzott sugárvektor O pontosan ó", egyenlő r 0 =ut.
Tetszőleges anyagi pont koordinátái Aálló és mozgó vonatkoztatási rendszerekben sugárvektorok határozzák meg rÉs r", és
A koordináta tengelyekre történő vetületekben az (5.1) vektoregyenletet az ún. Galilei transzformációk:
(5.2)
Abban a speciális esetben, amikor a rendszer K" sebességgel mozog v a pozitív tengely iránya mentén x rendszerek K, A galilei koordináta transzformációk a következő formájúak:
A klasszikus mechanikában azt feltételezik, hogy az idő múlása nem függ attól relatív mozgás referenciarendszerek. Ezért az (5.2) egyenletrendszert még egy összefüggéssel egészítjük ki:
(5.3)
Az (5.2) – (5.3) kapcsolatok csak abban az esetben érvényesek u. A fénysebességhez hasonló sebességeknél a galilei transzformációkat általánosabb Lorentz-transzformációk váltják fel.
Differenciáljuk az (5.1) egyenletet az idő függvényében és ezt figyelembe véve u= const, keressük meg az összefüggést a pont sebességei és gyorsulásai között A mindkét referenciarendszerhez képest:
ahol
(5.4)
És 
(5.5)
Ha pont A akkor más szervek nem cselekszenek a= 0 és az (5.5) szerint a"= 0, azaz mobil rendszer K" inerciális - egy izolált anyagpont vagy egyenletesen és egyenesen mozog hozzá, vagy nyugalomban van.
Az (5.5) kifejezésből az következik
azok. A Newton-egyenletek (dinamikai egyenletek) egy anyagi pontra azonosak minden inerciális vonatkoztatási rendszerben, vagy invariánsak a Galilei-transzformációkhoz képest. Ezt az eredményt gyakran a következőképpen fogalmazzák meg: a rendszer egészének egyenletes és lineáris mozgása nem befolyásolja a benne lejátszódó mechanikai folyamatok lefolyását.
A klasszikus newtoni mechanika megbízhatóan írja le a fénysebességnél jóval kisebb sebességgel mozgó makroszkopikus testek mozgását. A 19. század végén. kiderült, hogy a klasszikus mechanika következtetései ellentmondanak néhány kísérleti adatnak. Különösen a gyorsan töltött részecskék mozgásának tanulmányozása során derült ki, hogy mozgásuk nem engedelmeskedik Newton törvényeinek. További nehézségek merültek fel, amikor a klasszikus mechanikát próbálták alkalmazni a fény terjedésének magyarázatára. Az elektrodinamika törvényei szerint az elektromágneses hullámok terjedési sebessége vákuumban minden irányban azonos, és megközelítőleg egyenlő Val vel= 3*10 8 m/s. De a klasszikus fizika törvényei szerint a fénysebesség egyenlő lehet Val vel csak egy kiválasztott vonatkoztatási rendszerben. Bármilyen más referenciarendszerben, amely a választott rendszerhez képest sebességgel mozog v, már egyenlőnek kell lennie Val vel-v, vagy Val vel+v. Ez azt jelenti, hogy ha érvényes a klasszikus mechanika sebességek összeadásának törvénye ((5.4) képlet), akkor az egyik tehetetlenségi rendszerből a másikba való átmenet során az elektrodinamika törvényeinek meg kell változniuk, hiszen a fénysebességnek változnia kell. Így az elektrodinamika és a newtoni mechanika között ellentmondásokat fedeztek fel, amelyek törvényei összhangban vannak Galilei relativitáselvével. Különféle módszereket javasoltak a felmerülő nehézségek leküzdésére:
- Fogadja el a relativitás elvének következetlenségét az elektromágneses jelenségekkel kapcsolatban. Faraday óta az elektromágneses jelenségeket egy különleges, mindent átható közegben zajló folyamatoknak tekintik, amely minden teret betölt - Adásban. H. Lorentz szerint az éterhez viszonyított nyugalmi inerciális vonatkoztatási rendszer egy speciális rendszer, amelyben érvényesek Maxwell elektrodinamikai törvényei. Csak ebben a referenciakeretben a fény sebessége vákuumban minden irányban azonos.
- Tekintsük a Maxwell-féle elektrodinamikai egyenleteket hibásnak, és próbáljuk meg úgy megváltoztatni őket, hogy ne változzanak az egyik tehetetlenségi rendszerből a másikba való átmenet során (a térről és időről szóló klasszikus elképzeléseknek megfelelően). Ilyen kísérletet különösen G. Hertz tett, aki úgy vélte, hogy az étert a mozgó testek teljesen elviszik, ezért az elektromágneses jelenségek ugyanúgy zajlanak, függetlenül attól, hogy a test nyugalomban van vagy mozog. A relativitás elve helyes.
- Hagyja fel a klasszikus tér és idő fogalmát, hogy megőrizze mind a relativitás elvét, mind a Maxwell-törvényeket. Ebből a szempontból nem az egyenletek bizonyulnak pontatlannak elektromágneses mezőés Newton mechanikai törvényei, összhangban a térről és időről szóló régi elképzelésekkel. Ezért a klasszikus mechanika törvényeit kell megváltoztatni, nem pedig a Maxwell-féle elektrodinamikai törvényeket.
A természettudomány fejlődése megcáfolta ezeket az elképzeléseket. Nincs abszolút tér és idő. Az Univerzum tele van anyaggal, anyag és mező formájában, és a tér az anyag egyetemes tulajdonságaként működik. Az idő mindig az anyag mozgásához és fejlődéséhez kapcsolódik. És így, hely– ez az anyag létezési formája, amely kifejezi kiterjedését és szerkezetét; idő– ez az anyag létezésének egy formája, amely minden objektum, mező létezésének időtartamát és az események változási sorrendjét jellemzi.
A tér és az idő főbb tulajdonságai: a) az anyag, a tér és az idő egysége és elválaszthatatlan kapcsolata; b) a tér és idő abszolút folytonossága és relatív diszkontinuitása. A folytonosság az anyagi mezők eloszlásában nyilvánul meg minden test és rendszer terében, a hosszelemek végtelen egymásutánjában, amikor egy test két pont között mozog. A tér diszkontinuitása relatív, és az anyagi tárgyak és rendszerek elkülönült létezésében nyilvánul meg, amelyek mindegyikének vannak bizonyos dimenziói és határai. Az idő diszkontinuitását csak a minőségi anyagállapotok fennállásának ideje jellemzi, amelyek mindegyike megjelenik és eltűnik, más formákba menve; c) az időnek van időtartama, egyirányúsága, visszafordíthatatlansága.
Következetesen kidolgozott új, a klasszikustól eltérő, térről és időről alkotott elképzeléseket, A. Einstein a 20. század elején. létre speciális relativitáselmélet(SZÁZ). Ennek az elméletnek a keretein belül sikerült összeegyeztetni a relativitás elvét a Maxwell-féle elektrodinamikával. Ahol új elmélet nem törölte a régit (newtoni mechanika), hanem speciális, korlátozó esetként szerepeltette.
A 19. század végén olyan kísérleti adatok születtek, amelyek a newtoni fizika szempontjából nem magyarázhatók. Különösen, ha a fényforrás és a vevő egyenletesen és egyenes vonalúan mozog egymás felé, akkor newtoni sebességüknek össze kell adódnia. Michelson amerikai fizikus és mások azonban érzékeny interferométerrel kísérleteket végezve kimutatták, hogy a fény sebessége vákuumban nem függ a forrás és a vevő mozgási sebességétől, és minden tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben azonos. Einstein arra a következtetésre jutott a fénysebesség állandósága- a természet alapvető törvénye. Ezt a következtetést használta Einstein speciális relativitáselméletének alapjául (lásd 2.5. fejezet). A Maxwell-egyenletek változatlansága (lásd 3.5. fejezet) Lorentz-transzformációk esetén is bizonyítást nyert, míg a Galilei-transzformációknál nem invariánsak (lásd 2.4.). Einstein elméletéből az következett, hogy az elektromágneses kölcsönhatások (például a töltések) vákuumban, a fénysebesség által korlátozott sebességgel átvitelre kerülnek egy mezőn keresztül (a rövid hatótávolságú hatás fogalma) minden referenciakeretben.
Az elektromágneses tér felosztása elektromos ill mágneses mező relatíve – a természetben egyetlen elektromágneses tér van. A fénynek elektromágneses természete is van (3.27. ábra).
A speciális relativitáselmélet alapján megmagyarázták a mintákat Doppler effektus elektromágneses hullámokhoz. Amikor egy fényforrás V sebességgel távolodik a megfigyelőtől, a λ ( sugárzási hullámhosszúságú) forrás sugárzási spektrumában a frekvencia (vagy a hullámhossz Δλ-val) megváltozik. vöröseltolódás):
A Doppler-effektus alkalmazásra talált radarban a V sebesség és a mozgó objektum távolságának mérésére, az asztrofizikában a távolodó galaxisok sebességének mérésére stb.
A csillagok látszólagos helyzetének változását az égi szférán a véges fénysebesség következtében ún. fényeltérések.
3.7. Kvázi-stacionárius mágneses tér
Az eltolási áram alapvetően különbözik a vezetési áramtól - nem kapcsolódik a töltések mozgásához. Csak időbeli változások okozzák elektromos mező(lásd 3.5). Még vákuumban is az elektromos tér megváltozása ahhoz vezet mágneses tér megjelenése a környező térben. Ezen az alapon az eltolási áram megegyezik a vezetési árammal, és ez lehetővé teszi, hogy feltételesen „áramnak” nevezzük.
A j cm eltolási áram nemcsak vákuumban vagy dielektrikumban fordul elő, hanem a vezetőkben is, amikor j pr váltakozó vezetési áram halad át rajtuk, de kicsi a j pr-hez képest (ez miatt elhanyagolható).
A váltakozó mágneses térbe helyezett masszív vezetőkben a (3.70) törvénynek megfelelően indukciós áramok indukálhatók. Ezek az áramok örvényáramok a vezetők térfogatában, és ún áramlatok Foucault.
A Foucault-áramok saját mágneses teret hoznak létre, amely a Lenz-szabálynak megfelelően (lásd 3.73) megakadályozza az őket okozó mágneses fluxus változását. A nagyfrekvenciás Foucault-áramok a vezetők felmelegedéséhez vezetnek, ami lehetővé teszi fémek olvasztására való felhasználásukat indukciós kemencékben. mikrohullámú sütők vezetőképes termékek melegítésére, fizioterápiában (az emberi test vezető) stb. Más esetekben az elektromos gépek és transzformátorok hőveszteségének csökkentése érdekében növelik a Foucault-áramokkal szembeni ellenállást, így azok magja nem szilárd, hanem egymástól elszigetelt vékony lemezekből áll.
A váltakozó áramú áramkörökben a vezetők elektromos ellenállása az áram frekvenciájának növekedésével nő. Ez azzal magyarázható, hogy az áramsűrűség eloszlása a vezető keresztmetszetén a Foucault-áramok figyelembevételével egyenetlenné válik: az áramsűrűség a felület közelében növekszik (ún. bőr - hatás). Ez azt is lehetővé teszi, hogy a vezetőket üregessé (csőszerűvé) alakítsa. Az alkatrészek felületének nagyfrekvenciás keményítési módszerei a bőrhatáson alapulnak.
A váltakozó áram erőssége ugyanabban az időben a vezető különböző részein eltérő. Ennek oka a változó elektromágneses tér vezető mentén történő terjedésének véges sebessége. Ha azonban figyelembe vesszük a töltéshordozók kis mozgási sebességét a tér terjedési sebességéhez képest, akkor az áramokat tekinthetjük kvázi-stacionárius valamint az általuk gerjesztett mágneses mezőket.
A váltakozó áramokat generátorok segítségével állítják elő. Amikor az áramkör egyenletes mágneses térben forog azzal szögsebesség a kontúr által határolt területen keresztül, időszakosan változik mágneses fluxus(lásd 3.67).
ahol Ф 0 a kontúr S területén áthaladó áramlás maximális értéke.
Az ebben az esetben fellépő elektromotoros erő (lásd 3.70) az lesz 
szinuszos törvény szerint változik. ε 0 =ωФ 0 az emf amplitúdója. Ha az áramkör zárva van, akkor váltakozó áram folyik benne:
.
Általánosságban elmondható, hogy az R ohmos ellenálláson kívül minden vezetőnek L induktivitása és C kapacitása van. Az öninduktív emf megjelenése (lásd 3.73) és a kapacitás újratöltési tehetetlensége miatt további ellenállást biztosítanak az áram számára. Ekkor a váltakozó áram amplitúdója:
(3.90)
Nagyságrend 
teljes ellenállás karaktere van ( impedancia). Az R, L, C és a frekvencia értékétől függ. Amikor megfelel a feltételnek:
,
a teljes ellenállás minimális értéke R-vel egyenlő, és a váltakozó áram amplitúdója eléri a maximális értéket:
Frekvencia 
- rezonánsnak nevezzük.R L =Lés 
- váltakozó áramú áramkörben induktív és kapacitív reaktanciáknak nevezzük.
Váltakozó elektromos áram nagyszerű gyakorlati alkalmazása van. Kis veszteséggel nagy távolságra továbbítható, transzformátorok segítségével erőssége és feszültsége széles tartományban változtatható.
Jellemezni akció váltóáram az egyenárammal összehasonlítva, a koncepció bevezetésre kerül az áram és a feszültség effektív értékei. Az áram effektív értéke az I mennyiség, amelyet az I 0 amplitúdóhoz társítunk az alábbiak szerint:
a feszültség ugyanaz 
. Ezek határozzák meg az AC teljesítményt. Adhat egy másik definíciót is: a váltakozó áram effektív értéke megegyezik azzal az egyenárammal, amely a váltakozó árammal azonos mennyiségű hőt bocsát ki az áramkörben.
A térről és az időről alkotott elképzelések megváltoztak. A klasszikus, évszázadok óta megingathatatlannak tekintett tér- és időfelfogás szerint a mozgásnak nincs hatása az idő múlására (az idő abszolút), bármely test lineáris méretei nem függenek attól, hogy a test nyugalomban van-e vagy mozog ( a hossza abszolút).
Einstein speciális relativitáselmélete a tér és idő új doktrínája, amely felváltotta a régi (klasszikus) elképzeléseket.
75. § AZ ELEKTRODINAMIKA TÖRVÉNYEI ÉS A RELATIVITÁSI ELVE
A relativitás elve a mechanikában és az elektrodinamikában. Miután a 19. század második felében. Maxwell megfogalmazta az elektrodinamika alaptörvényeit, felmerült a kérdés: vajon a mechanikai jelenségekre érvényes relativitás elve érvényes-e az elektromágneses jelenségekre is? Vagyis az elektromágneses folyamatok (töltések és áramok kölcsönhatása, elektromágneses hullámok terjedése stb.) minden tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben ugyanúgy zajlanak? Vagy talán az egyenletes egyenes vonalú mozgás, anélkül, hogy befolyásolná a mechanikai jelenségeket, hatással van az elektromágneses folyamatokra?
E kérdések megválaszolásához azt kellett kideríteni, hogy az elektrodinamika alaptörvényei változnak-e az egyik tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerből a másikba való átmenet során, vagy a Newton-törvényekhez hasonlóan változatlanok maradnak. Csak az utóbbi esetben vethetjük el a kételyeket a relativitás elvének elektromágneses folyamatokkal kapcsolatos érvényességével kapcsolatban, és tekinthetjük ezt az elvet általános természeti törvénynek.
Az elektrodinamika törvényei összetettek, és ennek a problémának a szigorú megoldása nem könnyű feladat. Úgy tűnik azonban, hogy egyszerű megfontolások segítségével megtalálhatjuk a helyes választ. Az elektrodinamika törvényei szerint az elektromágneses hullámok terjedési sebessége vákuumban minden irányban azonos, és egyenlő c = 3 10 8 m/s. De a newtoni mechanika sebességek összeadásának törvénye szerint a sebesség csak egy kiválasztott vonatkoztatási rendszerben lehet egyenlő a fény sebességével. Bármilyen más vonatkoztatási rendszerben, amely ehhez a választott vonatkoztatási rendszerhez képest sebességgel mozog, a fény sebességének már egyenlőnek kell lennie -. Ez azt jelenti, hogy ha érvényes a sebességek összeadásának szokásos törvénye, akkor az egyik inercia-referenciarendszerből a másikba való átmenet során az elektrodinamika törvényei úgy változnak, hogy ebben az új vonatkoztatási rendszerben a fénysebesség már ne legyen egyenlő, hanem - .
Így bizonyos ellentmondásokat fedeztek fel az elektrodinamika és a newtoni mechanika között, amelyek törvényei összhangban vannak a relativitás elvével. Három különböző módon próbálták leküzdeni a felmerülő nehézségeket.
Első út:érvénytelennek nyilvánítja a relativitás elvét az elektromágneses jelenségekre alkalmazva. Ezt a nézetet osztotta a nagy holland fizikus, az elektronikai elmélet megalapítója X. . Faraday kora óta az elektromágneses jelenségeket olyan folyamatoknak tekintik, amelyek egy különleges, mindent átható, minden teret betöltő közegben - a világéterben - játszódnak le. Az inerciális vonatkoztatási rendszer az éterhez képest nyugalomban Lorentz szerint egy speciális, preferenciális vonatkoztatási rendszer. Ebben Maxwell elektrodinamikai törvényei érvényesek és a legegyszerűbb formában. Csak ebben a referenciakeretben a fény sebessége vákuumban minden irányban azonos.
Második út: tekintse a Maxwell-egyenleteket helytelennek, és próbálja meg úgy megváltoztatni őket, hogy ne változzanak az egyik tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerből a másikba való átmenet során (a tér és idő szokásos, klasszikus fogalmaival összhangban). Ilyen kísérletet különösen G. Hertz tett. Hertz szerint az étert teljesen magával ragadják a mozgó testek, ezért az elektromágneses jelenségek ugyanúgy zajlanak le, függetlenül attól, hogy a test nyugalomban van-e vagy mozog. A relativitás elve továbbra is érvényben marad.
Végül a harmadik út: hagyja el a klasszikus tér- és időfogalmakat, hogy megőrizze mind a relativitás elvét, mind a Maxwell-törvényeket. Ez a legforradalmibb út, mert a fizika legmélyebb, legalapvetőbb fogalmainak átdolgozását jelenti. Ebből a szempontból nem az elektromágneses tér egyenletei bizonyulnak pontatlannak, hanem Newton mechanikai törvényei, összhangban a térről és időről szóló régi elképzelésekkel. A mechanika törvényeit kell megváltoztatni, nem pedig a Maxwell-féle elektrodinamikai törvényeket.
A harmadik módszer bizonyult az egyetlen helyesnek. Következetesen fejlesztve, A. Einstein új elképzelésekhez jutott a térről és az időről. Az első két módot, mint kiderült, kísérletekkel cáfolják.
Lorentz álláspontját, miszerint az abszolút nyugalomban lévő világéterhez egy választott vonatkoztatási rendszernek kell társulnia, közvetlen kísérletek cáfolták.
Ha a fénysebesség csak az éterhez tartozó referenciakeretben lenne egyenlő 300 000 m/s-mal, akkor egy tetszőleges inerciális referenciakeretben mérve a fénysebességet, kimutatható lenne ennek a vonatkoztatási rendszernek a mozgása az éterhez képest. az étert, és határozza meg ennek a mozgásnak a sebességét.
Einstein Albert (1879-1955)- a 20. század nagy fizikusa. Megalkotta a tér és idő új elméletét - a speciális relativitáselméletet. Ezt az elméletet a nem inerciális vonatkoztatási rendszerekre általánosítva kidolgozta az általános relativitáselméletet, amely a modern gravitációelmélet. Először vezette be a fényrészecskék – fotonok – fogalmát. A Brown-mozgás elméletével kapcsolatos munkája az anyag szerkezetének molekuláris kinetikai elméletének végső győzelméhez vezetett.
Ahogy a szél a levegőhöz képest mozgó vonatkoztatási rendszerben keletkezik, az éterhez viszonyítva mozogva (természetesen ha az éter létezik), „éteri szelet” kell észlelni. A. Michelson és E. Morley amerikai tudósok 1881-ben végeztek kísérletet az „éteri szél” kimutatására, Maxwell 12 évvel korábban megfogalmazott gondolata alapján.
Ez a kísérlet a fény sebességét hasonlította össze a Föld mozgásának irányában és arra merőleges irányban. A méréseket egy speciális eszközzel - Michelson interferométerrel - nagyon pontosan végezték. A kísérleteket különböző napszakokban és különböző évszakokban végezték. De az eredmény mindig negatív volt: a Föld mozgását az éterhez képest nem lehetett kimutatni.
Így a kedvezményes referenciakeret létezésének gondolata nem állta ki a kísérleti tesztelést. Ez viszont azt jelentette, hogy nem létezett olyan speciális közeg, a „világító éter”, amelyhez ilyen preferenciális vonatkoztatási rendszer társulhatna.
Amikor Hertz megpróbálta megváltoztatni Maxwell elektrodinamikai törvényeit, kiderült, hogy az új egyenletek nem képesek megmagyarázni számos megfigyelt tényt. Így Hertz elmélete szerint a mozgó víznek teljesen magával kell ragadnia a benne terjedő fényt, mivel magával ragadja az étert, amelyben a fény terjed. A tapasztalat azt mutatja, hogy a valóságban ez nem így van.
Kiderült, hogy a relativitás elvét Maxwell elektrodinamikájával csak a klasszikus tér-időfogalmak feladásával lehet összeegyeztetni, miszerint a távolságok és az idő múlása nem függ a vonatkoztatási rendszertől.
Myakishev G. Ya., fizika. 11. évfolyam: oktatási. általános műveltségre intézmények: alap és profil. szintek / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; szerkesztette V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17. kiadás, átdolgozva. és további - M.: Oktatás, 2008. - 399 p.: ill.
Naptári-tematikus tervezés, feladatok 11. osztályos iskolásoknak fizikából letöltés, Fizika és csillagászat online
Az óra tartalma leckejegyzetek keretóra prezentációgyorsítási módszerek támogatása interaktív technológiák Gyakorlat feladatok és gyakorlatok önellenőrző műhelyek, tréningek, esetek, küldetések házi feladat megbeszélési kérdések szónoki kérdéseket diákoktól Illusztrációk audio, videoklippek és multimédia fényképek, képek, grafikák, táblázatok, diagramok, humor, anekdoták, viccek, képregények, példázatok, mondások, keresztrejtvények, idézetek Kiegészítők absztraktokat cikkek trükkök a kíváncsi kiságyak tankönyvek alap- és kiegészítő szótár egyéb Tankönyvek és leckék javításaa tankönyv hibáinak javítása egy töredék frissítése a tankönyvben, innováció elemei a leckében, az elavult ismeretek újakkal való helyettesítése Csak tanároknak tökéletes leckék naptári terv egy évre iránymutatásokat vitaprogramok Integrált leckékA relativitás elve és Newton törvényei
Galilei relativitáselmélete szervesen bekerült az I. Newton által megalkotott klasszikus mechanikába. Három „axiómán” – Newton három híres törvényén – alapul. Ezek közül már az első, amely így szól: „Minden test továbbra is nyugalmi vagy egyforma állapotban van. egyenes vonalú mozgás, amíg és mivel nem kényszerítik rá alkalmazott erők ennek az állapotnak a megváltoztatására” – beszél a mozgás relativitásáról, és egyúttal rámutat a vonatkoztatási rendszerek létezésére (ezeket inerciálisnak nevezték), amelyekben a külsőt nem tapasztaló testek. a hatások „tehetetlenségből” mozdulnak el, anélkül, hogy gyorsulnának és lassulnának. Pontosan az ilyen inerciarendszereket értjük Newton két másik törvényének megfogalmazásában. Az egyik tehetetlenségi rendszerből a másikba való átmenet során számos, a testek mozgását jellemző mennyiség megváltozik, például a sebességük vagy a mozgási pálya alakja, de a mozgás törvényei, vagyis az ezeket a mennyiségeket összekötő összefüggések állandóak maradnak.
Galilei transzformációk
Leírására mechanikus mozgások, vagyis a testek térbeli helyzetének megváltozása, Newton világosan megfogalmazott elképzeléseket a térről és az időről. A teret egyfajta „háttérnek” tekintették, amely előtt a mozgás kibontakozik anyagi pontok. Helyzetük meghatározható például segítségével Derékszögű koordináták x, y, z, a t időponttól függően. Amikor az egyik K inerciális vonatkoztatási rendszerről a másik K-re haladunk, az elsőhöz képest az x tengely mentén v sebességgel haladunk, a koordináták átalakulnak: x" = x - vt, y" = y, z" = z, és idő változatlan marad: t" = t. Így feltételezzük, hogy az idő abszolút. Ezeket a képleteket Galilei transzformációknak nevezzük.
Newton szerint a tér egyfajta koordináta rácsként működik, amelyre nincs hatással az anyag és annak mozgása. Az időt egy ilyen „geometrikus” világképben mintegy egy abszolút óra számolja, amelynek lefutását semmi sem gyorsíthatja vagy lassítja.
A relativitás elve az elektrodinamikában
Több mint háromszáz éven át a Galilei-féle relativitáselméletet csak a mechanikának tulajdonították, bár a 19. század első negyedében, elsősorban M. Faraday munkáinak köszönhetően, megjelent az elektromágneses tér elmélete, amely aztán megkapta. további fejlődésés a matematikai megfogalmazás J.K. munkáiban. Maxwell. De a relativitás elvének az elektrodinamikára való átvitele lehetetlennek tűnt, mivel úgy gondolták, hogy minden teret egy speciális közeg - éter tölt meg, amelynek feszültségét az elektromos és mágneses mezők intenzitásaként értelmezték. Ugyanakkor az éter nem befolyásolta a testek mechanikai mozgását, így a mechanikában „nem érezhető”, hanem elektromágneses folyamatok az éterhez viszonyított mozgásnak („éteri szél”) hatást kell kifejtenie. Ennek eredményeként egy zárt kabinban végzett kísérletező az ilyen folyamatok megfigyelésével látszólag meg tudta állapítani, hogy a kabinja mozgásban van (abszolút!), vagy nyugalomban van. A tudósok különösen úgy vélték, hogy az „éteri szélnek” kell befolyásolnia a fény terjedését. Az „éteri szél” felfedezésére tett kísérletek azonban nem jártak sikerrel, és elvetették a mechanikus éter koncepcióját, aminek következtében a relativitás elve mintegy újjászületett, de mint egyetemes, nemcsak a mechanikában érvényes. , hanem az elektrodinamikában és a fizika más területein is.
Lorentz transzformációk
Hasonló matematikai megfogalmazás a mechanika törvényei a Newton-egyenletek, a Maxwell-egyenletek az elektrodinamika törvényeinek kvantitatív reprezentációi. Ezen egyenletek formájának változatlannak kell maradnia, amikor az egyik inercia vonatkoztatási rendszerből a másikba lépünk. Ennek a feltételnek a teljesítéséhez a galilei transzformációkat másokkal kell helyettesíteni: x"= g(x-vt); y"= y; z"=z; t"=g(t-vx/c 2), ahol g = (1-v 2 / c 2) -1/2, és c a fény sebessége vákuumban. A H. Lorentz által 1895-ben létrehozott és az ő nevét viselő legújabb transzformációk képezik a speciális (vagy speciális) relativitáselmélet alapját. A vc-nél galilei transzformációkká alakulnak át, de ha v közel van c-hez, akkor jelentős eltérések jelennek meg a nem-relativisztikusnak nevezett téridő képétől. Mindenekelőtt az idővel kapcsolatos szokásos intuitív elképzelések következetlensége tárul fel, kiderül, hogy az egyik vonatkoztatási rendszerben egyidejűleg bekövetkező események egy másikban megszűnnek egyidejűek lenni. Változik a sebességváltás törvénye is.
Fizikai mennyiségek transzformációja a relativisztikus elméletben
A relativisztikus elméletben a térbeli távolságok és időintervallumok nem maradnak változatlanok, amikor egyik vonatkoztatási rendszerről a másikra haladunk, az elsőhöz képest v sebességgel haladunk. A hosszokat (mozgásirányban) 1/g-szorosára csökkentik, az időintervallumokat ugyanannyiszor „nyújtják”. Az egyidejűség relativitáselmélete a modern parciális relativitáselmélet fő alapvetően új jellemzője.
