Развитие электродинамики привело к новым представлениям о пространстве и времени. Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится ли тело или движется (длина абсолютна). На смену старым, классическим представлениям о пространстве и времени пришло новое учение - специальная теория относительности Эйнштейна.
После того как во второй половине 19 века Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, ученые осознали, что принцип относительности Галилея сложно применить к электромагнитным явлениям. Возник вопрос: протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и так далее) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы к другой или же подобно законам Ньютона они остаются неизменными. Законы электродинамики сложны. Согласно им скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна 300 млн метров в секунду. Но, с другой стороны, согласно законам механики Ньютона, эта скорость может равняться 300 миллионам только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к первой системе с некоторой другой скоростью, скорость света должна уже равняться разности этих скоростей. Значит, если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы к другой, законы электродинамики должны меняться также как и законы механики. Мы обнаружили определенные противоречия между электродинамикой и механикой.
Обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Первая возможность состояла в том, чтобы объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории Х. Лоренц. Согласно этой теории инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это особая, преимущественная система, так как электромагнитные явления еще со времени Фарадея рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство - «мировом эфире». Если бы скорость света была равна 300 000 км в секунду только в системе отсчета в некоторой инерциальной системе, тогда можно было бы обнаружить, как движется эта система по отношению к эфиру. Подобно тому, как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, так и при движении по отношению к эфиру некоторой системы должен быть обнаружен «эфирный ветер». Если, конечно, эфир существует. Вторая возможность состоит в том, чтобы считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 году американскими ученными А. Майкельсоном и Э. Морли. Эту идею за 12 лет до этого высказал Максвелл. Заключалась она в наблюдении смещения интерференционных полос и измерении разности задержек света при его распространении вдоль и поперёк движения Земли по орбите. Такая попытка еще раньше была предпринята Генрихом Герцем. По его предположению эфир полностью увлекается движущимися телами, и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимого от того, покоится тело или движется. Здесь принцип относительности справедлив. К примеру, согласно теории Герца, когда вода движется, она полностью увлекает за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так. Третья возможность разрешения указанных трудностей состоит в отказе от классических представлений о пространстве и времени. При этом можно сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. С данной точки зрения оказывается, что изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла. Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая именно эту теорию, Альберт Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Он создал новое учение о пространстве и времени, которое сегодня называют специальной теорией относительности. Обобщая свою теорию для неинерциальных систем отсчета, Эйнштейн построил общую теорию относительности. Она представляет собой современную теорию тяготения. Эйнштейн впервые ввел представление о частицах света, их называют фотонами. В своих опытах он сравнивал скорости света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения Эйнштейн проводил очень точно с помощью специального прибора интерферометра, разработанного Майкельсоном
и ныне носящим его имя. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. При этом движение Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось. Все это было похоже на то, как если бы вы, высунув голову из окна машины, при скорости 100 км/ч не заметили бы встречного ветра. Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь это означало, что никакой особой среды - «светоносного эфира», - с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует. Теперь легко можно согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла. Для этого нужно отказаться от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.
В основе рассматриваемой нами теории относительности лежат два постулата. Принцип относительности - первый и главный постулат теории Эйнштейна. Его можно сформулировать так: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы имеют одинаковую форму. Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Скорость света занимает особое положение. Как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе. В относительности одновременности кроется решение парадокса со сферическими световыми сигналами Опишем ситуацию. Свет одновременно достигает точек сферической поверхности с центром в точке О только с точки зрения наблюдателя, находящегося в покое относительно системы К (ка). С точки зрения же наблюдателя, связанного с системой К1 (ка-1), свет достигает этих точек в разные моменты времени. Разумеется, справедливо и обратное: в системе К (ка) свет достигает точек поверхности сферы с центром в О1 (о-1) в различные моменты времени, а не одновременно, как это представляется наблюдателю в системе К1 (ка-1). Отсюда следует вывод, что никакого парадокса в действительности нет. До начала 20 века никто не сомневался, что время абсолютно. То есть, когда два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой космической цивилизации. Создание теории относительности показало, что это не так. Представление об абсолютном времени, которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от структуры материи и ее движения, оказывается неправильным. «Минута — величина относительная: если у вас свидание с симпатичной девушкой, то она пролетит как мгновение, а если вы сидите на раскаленной плите, то она покажется вечностью». Так сам Эйнштейн пытался объяснить простыми словами свою теорию относительности. Действительно, если допустить мгновенное распространение сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках А и В произошли одновременно, будет иметь абсолютный смысл. Любые события, например два удара молнии, одновременны, если они происходят при одинаковых показаниях синхронизированных часов. Только располагая в точках А и В синхронизированными часами, можно судить о том произошли ли два каких-либо события в этих точках одновременно или нет. Для синхронизации часов правильнее будет, если прибегнут к световым или вообще электромагнитным сигналам, так как скорость электромагнитных волн в вакууме является строго определенной, постоянной причиной. Именно такой способ используют при проверки часов по радио. Рассмотрим подробнее один из простых методов синхронизации часов, не требующий никаких вычислений. Допустим, что космонавт хочет узнать одинаково ли идут установленные на противоположных концах космического корабля часы А и В (бэ). Для этого, с помощью источника, который расположен в середине корабля и неподвижен относительно него, космонавт производит вспышку света. Свет одновременно достигает обоих часов. Если показания часов в этот момент одинаковы, то часы идут синхронно. Но так будет лишь относительно системы отсчета, связанной с кораблем. В системе же отсчета, относительно которой корабль движется, положение иное. Часы на носу корабля будут удаляться от того места, где произошла вспышка света источника, и, чтобы достигнуть часов А, свет должен преодолеть расстояние, большее половины длины корабля. А часы (бэ) на корме приближаются к месту вспышки, и путь светового сигнала меньше половины длины корабля. Поэтому наблюдатель, находящийся в системе, связанной с кораблем, придет к выводу о том, что сигналы достигают обеих часов одновременно. Два любых события в точках А и В (бэ) одновременны в системе отсчета, связанной с кораблем, и не одновременны в системе, относительно которой корабль движется. Но в силу принципа относительности эти системы совершенно равноправны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы должны прийти к заключению о том, что одновременность пространственно разделенных событий относительна. Причиной относительности одновременности является, как мы видим, конечность скорости распространения звуковых сигналов. Из постулатов теории относительности вытекает ряд важнейших следствий, касающихся свойств пространства и времени. Наблюдается два релятивистских эффекта. Первое, в движущихся системах отсчета размеры тела сокращаются. Второе, в движущейся системе отсчета наблюдается замедление времени.
Так как в движущихся системах отсчета линейные размеры тела сокращаются, то это явление приводит к тому, что масса тела в движущейся системе соответственно увеличивается.
Очевидно, что классический закон сложения скоростей не может быть справедлив, так как он противоречит утверждению о постоянстве скорости света в вакууме. Мы запишем закон сложения скоростей для частного случая, когда тело движется вдоль оси Х1 (икс-1) системы отсчета К1 (ка-1), которая, в свою очередь, движется с некоторой скоростью вэ относительно системы отсчета К. Обозначим скорость тела относительно К через вэ1, а скорость этого же тела относительно К через вэ2. Тогда релятивистский закон сложения скоростей будет иметь вид.
При движении замедляется протекание всех физических процессов, а также химических реакций в человеческом организме. Стоит рассмотреть интереснейшие следствия, вытекающие из специальной теории относительности Эйнштейна. «Парадокс часов", он же «парадокс близнецов» — мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно специальной теории относительности, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. Но с другой стороны, этот же принцип относительности декларирует равноправие всех инерциальных систем отсчёта. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (далее путешественник) отправляется в космический полёт, второй (далее домосед) остаётся на Земле. Парадокс заключен в следующем: с точки зрения домоседа часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому после возвращения на Землю они должны отстать от часов домоседа. Относительно путешественника же двигалась Земля, значит, и отстать должны часы домоседа. Но с третьей стороны, братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время. Постулаты теории относительности Эйнштейна также легко объясняют такое интересное явление космического пространства как черная дыра. Черная дыра образуется при гравитационном сжатии массивной звезды. Если масса некоторой звезды более чем в 2-3 раза больше массы Солнца, то ядро этой звезды сжимается и достигает такой плотности, что даже свет не может преодолеть силы его тяготения окружающих космических тел. Эйнштейн Альберт (1879—1955) — великий физик XX в. Создал новое учение о пространстве и времени — специальную теорию относительности. Обобщая эту теорию для неинерциальных систем отсчета, разработал общую теорию относительности, представляющую собой современную теорию тяготения. Впервые ввел представление о частицах света — фотонах. Его работа по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества. Он предсказал «квантовую телепортацию» и гиромагнитный эффект Эйнштейна — де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Благодаря Альберту Эйнштейну в науке произошел пересмотр понимания физической сущности пространства и времени, он построил новую теорию гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн вместе с Планком заложили основы квантовой теории. Все эти концепции многократно подтверждены экспериментами и образуют фундамент современной физики.
Во второй половине XIX века Д. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики. При этом возникли сомнения в справедливости механического принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. Вспомним суть механического принципа относительности.
Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы являются инерциальными. Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму (инвариантны)
; в этом состоит суть механического принципа относительности или принципа относительности Галилея.
Для доказательства этого принципа рассмотрим две системы отсчета: инерциальную систему К
(с координатами x, y, z
), которую условно будем считать неподвижной и подвижную систему K"
(с координатами x", y", z"
), движущуюся относительно К
равномерно и прямолинейно со скоростью u
= const. Примем, что в начальный момент времени t
= 0 начала O
и O"
обеих систем координат совпадают. Расположение систем координат в произвольный момент времени t
имеет вид, изображенный на рис. 5.1. Скорость u
направлена вдоль прямой OO"
, а радиус-вектор, проведенный из точки O
в точку O"
, равен r 0 =ut
.
Координаты произвольной материальной точки A
в неподвижной и подвижной системах отсчета определяются радиусами-векторами r
и r"
, причем
В проекциях на оси координат векторное уравнение (5.1) записывается в виде, называемом преобразованиями Галилея :
(5.2)
В частном случае, когда система K" движется со скоростью v вдоль положительного направления оси x системы K , преобразования координат Галилея имеют следующий вид:
В классической механике предполагается, что ход времени не зависит от относительного движения систем отсчета. Поэтому система уравнений (5.2) дополняется еще одним соотношением:
(5.3)
Соотношения (5.2) – (5.3) справедливы лишь в случае u . При скоростях, сравнимых со скоростью света, преобразования Галилея заменяются более общими преобразованиями Лоренца.
Продифференцируем уравнение (5.1) по времени и учитывая, что u
= const, найдем соотношения между скоростями и ускорениями точки А
относительно обеих систем отсчета:
откуда
(5.4)
А также
(5.5)
Если на точку А
другие тела не действуют, то a
= 0 и согласно (5.5) a"
= 0, т.е. подвижная система K"
является инерциальной – изолированная материальная точка либо движется относительно нее равномерно и прямолинейно, либо покоится.
Из выражения (5.5) следует, что
т.е. уравнения Ньютона (уравнения динамики) для материальной точки одинаковы во всех инерциальных системах отсчета или инвариантны по отношению к преобразованиям Галилея. Этот результат часто формулируют следующим образом: равномерное и прямолинейное движение системы как целого не влияет на ход протекающих в ней механических процессов
.
Классическая механика Ньютона достоверно описывает движение макроскопических тел, движущихся со скоростями, намного меньшими скорости света. В конце XIX в. было установлено, что выводы классической механики противоречат некоторым опытным данным. В частности при изучении движения быстрых заряженных частиц оказалось, что их движение не подчиняется законам Ньютона. Далее возникли затруднения при попытках применить классическую механику для объяснения распространения света. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и приблизительно равна с
= 3*10 8 м/с. Но в соответствии с законами классической физики скорость света может равняться с
только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся относительно избранной системы со скоростью v
, она должна уже равняться с
-v
, или с
+v
. Это означает, что если справедлив закон сложения скоростей классической механики (формула (5.4)), то при переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики должны меняться, так как должна меняться скорость света. Таким образом, обнаружились противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности Галилея. Для преодоления возникших трудностей предлагались различные способы:
- Принять несостоятельность принципа относительности применительно к электромагнитным явлениям. Еще со времен Фарадея электромагнитные явления рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, - эфире . Согласно Х. Лоренцу инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это особая система, в которой законы электродинамики Максвелла справедливы. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
- Считать ошибочными уравнения электродинамики Максвелла и попытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем, который считал, что эфир полностью увлекается движущимися телами, поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности справедлив.
- Отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем, чтобы сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла. С этой точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Таким образом, изменять нужно законы классической механики, а не законы электродинамики Максвелла.
Развитие естествознания опровергло эти представления. Никакого абсолютного пространства и времени не существует. Вселенная заполнена материей в форме вещества и поля, а пространство выступает как всеобщее свойство материи. Время всегда связано с движением и развитием материи. Таким образом, пространство – это форма бытия материи, которая выражает ее протяженность и структурность; время – это форма бытия материи, характеризующая длительность существования всех объектов, полей и последовательность смены событий.
Основными свойствами пространства и времени являются: а) единство и неразрывная связь материи, пространства и времени; б) абсолютная непрерывность и относительная прерывность пространства и времени. Непрерывность проявляется в распространении материальных полей в пространстве всех тел и систем, в бесконечном следовании элементов длины при движении тела между двумя точками. Прерывность пространства относительна и проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, каждая из которых имеет определенные размеры и границы. Прерывность времени характеризуется лишь временем существования качественных состояний материи, каждое из которых возникает и исчезает, переходя в другие формы; в) время обладает длительностью, однонаправленностью, необратимостью.
Последовательно развивая новые, отличные от классических, представления о пространстве и времени, А. Эйнштейн в начале XX в. создал специальную теорию относительности (СТО). В рамках этой теории удалось согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла. При этом новая теория не отменяла старую (ньютоновскую механику), а включала ее в себя как частный, предельный случай.
В конце 19 века были получены опытные данные, которые не могли быть объяснены с позиций физики Ньютона. В частности, если источник и приемник света движутся навстречу друг другу равномерно и прямолинейно, то скорости их по Ньютону должны складываться. Однако, американский физик Майкельсон и другие, проводя опыты с помощью чувствительного интерферометра, показали, что скорости света в вакууме не зависят от скорости движения источника и приемника и одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Эйнштейн пришел к выводу, что постоянство скорости света – фундаментальный закон природы. Этот вывод был положен Эйнштейном в основу разработанной им специальная теории относительности (см. раздел 2.5). Была также доказана инвариантность уравнений Максвелла (см. раздел 3.5) относительно преобразований Лоренца, тогда как они не инвариантны относительно преобразований Галилея (см. 2.4). Из теории Эйнштейна следовало, что электромагнитные взаимодействия (например, зарядов) передаются в вакууме со скоростью, ограниченной скоростью света, через поле (концепция близкодействия) во всех системах отсчета.
Разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное поля относительно – в природе существует единое электромагнитное поле. Свет также имеет электромагнитную природу (рис.3.27).
На основе специальной теории относительности были объяснены закономерности эффекта Доплера для электромагнитных волн. При удалении источника света от наблюдателя со скоростьюVпроисходит изменение частоты (или длины волны на величину Δλ) в спектре излучения источника с длиной волны излучения λ (красное смещение ):
Эффект Доплера нашел применение в радиолокации для измерения скорости Vи расстояния до движущегося объекта, в астрофизике - для измерения скоростей удаления галактик и т.д.
Обусловленное конечностью скорости света изменение видимого положения звезд на небесной сфере получило название аберрации света .
3.7. Квазистационарное магнитное поле
Ток смещения принципиально отличается от тока проводимости – он не связан с движением зарядов. Он обусловлен только изменением во времени электрического поля (см.3.5). Даже в вакууме изменение электрического поля приводит к возникновению в окружающем пространстве магнитного поля . Именно по этому признаку ток смещения тождественен току проводимости и это дает возможность условно называть его «током».
Ток смещения j см возникает не только в вакууме или диэлектриках, но и в проводниках при прохождении по ним переменного тока проводимостиj пр. Однако он мал по сравнению сj пр (ввиду этого им пренебрегают).
В массивных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле, могут в соответствии с законом (3.70) наводиться индукционные токи. Эти токи являются вихревыми в объеме проводников и известны как токи Фуко .
Токи Фуко создают собственное магнитное поле, которое в соответствии с правилом Ленца (см.3.73) препятствуют изменению вызвавшему их магнитного потока. Высокочастотные токи Фуко приводят к нагреванию проводников, что позволяет их применять для плавки металлов в индукционных печах, в микроволновых печах для нагревания проводящих токи продуктов, в физиотерапии (тело человека – проводник) и т.д. В других случаях для уменьшения потерь на тепло в электрических машинах и трансформаторах увеличивают сопротивление токам Фуко, делая их сердечники не сплошными, а из изолированных друг от друга тонких пластин.
В цепях с переменным электрическим током электросопротивление проводников возрастает с увеличением частоты тока. Это объясняется тем, что распределение плотности тока по сечению проводника становится неоднородным с учетом токов Фуко: плотность тока возрастает у поверхности (так называемый скин – эффект ). Это же позволяет делать проводники пустотелами (трубчатыми). На скин – эффекте основаны методики высокочастотной закалки поверхности деталей.
Сила переменного тока оказывается в один и тот же момент времени неодинаковой в разных участках проводника. Это обусловлено конечной скоростью распространения вдоль проводника меняющегося электромагнитного поля. Однако, если учесть малую скорость движения носителей зарядов по сравнению со скоростью распространения поля, то токи можно считать квазистационарными также как и возбуждаемые ими магнитные поля.
Переменные токи получают с помощью генераторов. При вращении контура в однородном магнитном поле с угловой скоростью через площадь, ограниченную контуром, периодически изменяется магнитный поток (см. 3.67).
где Ф 0 - максимальное значение потока через площадьSконтура.
Электродвижущая
сила, возникающая при этом (см.3.70), будет
изменяться по синусоидальному закону.
ε 0 =ωФ 0 -амплитуда ЭДС. Если
цепь замкнута, то в ней потечет переменный
ток:
.
Вообще любой проводник помимо омического сопротивления Rобладает индуктивностьюLи емкостью С. Они оказывают току дополнительное сопротивление в виду появления ЭДС самоиндукции (см.3.73) и инертности перезарядки емкости. Тогда амплитудное значение силы переменного тока:
(3.90)
Величина
имеет
характер полного сопротивления
(импеданс
). Она зависит от значенийR,L,Cи частоты. При,
удовлетворяющем условию:
,
полное сопротивление имеет минимальное значение равное R, а амплитуда силы переменного тока достигает максимального значения:
Частота
-
называется резонансной.R L =Lи
- называют индуктивным и емкостным
сопротивлениями в цепи переменного
тока.
Переменный электрический ток имеет большое практическое применение. Его можно передавать с малыми потерями на большие расстояния и с помощью трансформаторов в широких пределах изменять его силу и напряжение.
Чтобы характеризовать действие переменного тока в сравнении его с постоянным вводится понятиедействующих значений силы тока и напряжения . Действующим значением силы тока называют величинуI, связанную с амплитудойI 0 следующим образом:
аналогично и напряжение
.
Именно они определяют мощность переменного
тока. Можно также дать и другое определениеI Д: действующее
значение силы переменного тока равно
такой силе постоянного тока, который
выделяет в цепи то же количество теплоты,
что и переменный ток.
Изменились представления о пространстве и времени. Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не.зависят от того, покоится тело или движется (длина абсолютна).
Специальная теория относительности Эйнштейна - это новое учение о простраш-гво и времени, пришедшее на смену старым (классичснчсим) представлениям.
§ 75 ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Принцип относительности в механике и электродинамике. После того как во второй половине XIX в. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные явления? Иными словами, протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и т. д.) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Или, быть может, равномерное прямолинейное движение, не влияя на механические явления, оказывает некоторое воздействие на электромагнитные процессы?
Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, или же, подобно законам Ньютона, они остаются неизменными. Только в последнем случае можно отбросить сомнения в справедливости принципа относительности применительно к электромагнитным процессам и рассматривать этот принцип как общий закон природы.
Законы электродинамики сложны, и строгое решение этой задачи - нелегкое дело. Однако уже простые соображения, казалось бы, позволяют найти правильный ответ. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 3 10 8 м/с. Но в соответствии с законом сложения скоростей механики Ньютона скорость может быть равна скорости света только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к этой избранной системе отсчета со скоростью , скорость света должна уже быть равна-. Это означает, что если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой законы электродинамики должны меняться так, чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже была равна не , а - .
Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Возникшие трудности пытались преодолеть тремя различными способами.
Первый способ: объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории X. . Электромагнитные явления еще со времен Фарадея рассматривались как процессы, происходящие в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, - мировом эфире. Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это согласно Лоренцу особая, преимущественная система отсчета. В ней законы электродинамики Максвелла справедливы и наиболее просты по форме. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
Второй способ: считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем. По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности остается справедливым.
Наконец, третий способ: отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем чтобы сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. Это наиболее революционный путь, ибо он означает пересмотр в физике самых глубоких, основных представлений. С данной точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла.
Единственно правильным оказался именно третий способ. Последовательно развивая его, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.
Точка зрения Лоренца, согласно которой должна существовать избранная система отсчета, связанная с мировым эфиром, пребывающим в абсолютном покое, была опровергнута прямыми опытами.
Если бы скорость света была равна 300 000 к м/с только в системе отсчета, связанной с эфиром, то, измеряя скорость света в произвольной инерциальной системе отсчета, можно было бы обнаружить движение этой системы отсчета по отношению к эфиру и определить скорость этого движения.
Эйнштейн Альберт (1879-1955) - великий физик XX в. Создал новое учение о пространстве и времени - специальную теорию относительности. Обобщая эту теорию для неинер-циальных систем отсчета, разработал общую теорию относительности, представляющую собой современную теорию тяготения . Впервые ввел представление о частицах света - фотонах. Его работа по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества.
Подобно тому как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, при движении по отношению к эфиру (если, конечно, эфир существует) должен быть обнаружен «эфирный ветер». Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 г. американскими учеными А. Майкельсоном и Э. Морли по идее, высказанной за 12 лет до этого Максвеллом.
В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения проводились очень точно с помощью специального прибора - интерферометра Майкельсона. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. Но всегда получался отрицательный результат: движения Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось.
Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь, это означало, что никакой особой среды - «светоносного эфира», с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует.
При попытках Герца изменить законы электродинамики Максвелла выяснилось, что новые уравнения неспособны объяснить ряд наблюдаемых фактов. Так, согласно теории Герца движущаяся вода должна полностью увлекать за собой распространяющийся в ней свет , так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так.
Согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказав-И1ись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.
Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.
Календарно-тематическое планирование, задачи школьнику 11 класса по физике скачать , Физика и астрономия онлайн
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиПринцип относительности и законы Ньютона
Принцип относительности Галилея органически вошел в созданную И. Ньютоном классическую механику. Ее основу составляют три «аксиомы» - три знаменитых закона Ньютона. Уже первый из них, гласящий: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние», говорит об относительности движения и одновременно указывает на существование систем отсчета (они были названы инерциальными), в которых тела, не испытывающие внешних воздействий, движутся «по инерции», не ускоряясь и не замедляясь. Именно такие инерциальные системы имеются в виду и при формулировке двух остальных законов Ньютона. При переходе из одной инерциальной системы в другую меняются многие величины, характеризующие движение тел, например, их скорости или формы траектории движения, но законы движения, то есть соотношения, связывающие эти величины, остаются постоянными.
Преобразования Галилея
Чтобы описывать механические движения, то есть изменение положения тел в пространстве, Ньютон четко сформулировал представления о пространстве и времени. Пространство мыслилось как некий «фон», на котором развертывается движение материальных точек. Их положение можно определять, например, с помощью декартовых координат x, у, z, зависящих от времени t. При переходе из одной инерциальной системы отсчета К в другую К", движущуюся по отношению к первой вдоль оси x со скоростью v, координаты преобразуются: x" = x - vt, y" = у, z" = z, а время остается неизменным: t" = t. Таким образом принимается, что время абсолютно. Эти формулы получили название преобразований Галилея.
По Ньютону, пространство выступает как некая координатная сетка, на которую не влияет материя и ее движение. Время в такой «геометрической» картине мира как бы отсчитывается некими абсолютными часами, ход которых ничто не может ни ускорить, ни замедлить.
Принцип относительности в электродинамике
Принцип относительности Галилея более трехсот лет относили только к механике, хотя в первой четверти 19 в., прежде всего благодаря трудам М.Фарадея, возникла теория электромагнитного поля, получившая затем дальнейшее развитие и математическую формулировку в работах Дж.К. Максвелла. Но перенос принципа относительности на электродинамику представлялся невозможным, так как считалось, что все пространство заполнено особой средой - эфиром, натяжения в котором и истолковывались как напряженности электрического и магнитного полей. При этом эфир не влиял на механические движения тел, так что в механике он «не чувствовался», но на электромагнитных процессах движение относительно эфира («эфирный ветер») должно было сказываться. В результате находящийся в закрытой кабине экспериментатор при помощи наблюдения над такими процессами мог, казалось, определить, находится ли его кабина в движении (абсолютном!), или же она покоится. В частности, ученые полагали, что «эфирный ветер» должен влиять на распространение света. Попытки обнаружить «эфирный ветер», однако, не увенчались успехом, и концепция механического эфира была отвергнута, благодаря чему принцип относительности как бы родился заново, но уже как универсальный, справедливый не только в механике, но и в электродинамике, и других областях физики.
Преобразования Лоренца
Подобно тому, как математической формулировкой законов механики являются уравнения Ньютона, уравнения Максвелла являются количественным представлением законов электродинамики. Вид этих уравнений также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными: x"= g(x-vt); y"= y; z"=z; t"=g(t-vx/c 2), где g = (1-v 2 / c 2)-1/2, а с - скорость света в вакууме. Последние преобразования, установленные Х. Лоренцем в 1895 и носящие его имя, являются основой специальной (или частной) теории относительности. При vc они переходят в преобразования Галилея, но если v близко к c, то проявляются существенные отличия от картины пространства - времени, которую принято называть нерелятивистской. Прежде всего, обнаруживается несостоятельность привычных интуитивных представлений о времени, выясняется, что события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой. Меняется и закон преобразования скоростей.
Преобразование физических величин в релятивистской теории
В релятивистской теории пространственные расстояния и промежутки времени не остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой со скоростью v. Длины сокращаются (в направлении движения) в 1/g раз, и в такое же число раз «растягиваются» промежутки времени. Относительность одновременности - основная принципиально новая черта современной частной теории относительности.
