Реферат по предмету Концепції сучасного природознавства
Розвиток електродинаміки призвело до перегляду уявлень про простір і час. Згідно класичним уявленням про простір і час, які вважалися протягом століть непорушними, рух не робить ніякого впливу на перебіг часу (час абсолютно), а лінійні розміри будь-якого тіла не залежать від того, покоїться тіло або рухається (довжина абсолютна).
Спеціальна теорія відносності Ейнштейна - це нове вчення про простір і час, що прийшло на зміну старим (класичним) уявленням.
Закони електродинаміки і принцип відносності
Після створення електродинаміки виникли сумніви в справедливості принципу відносності Галілея стосовно електромагнітних явищ.
Принцип відносності в механіці і електродинаміки. Після того як у другій половині XIX століття Максвеллом були сформульовані основні закони електродинаміки, виникло питання, чи поширюється принцип відносності, і на електромагнітні явища. Іншими словами, протікають чи електромагнітні процеси (взаємодія зарядів і струмів, поширення електромагнітних хвиль і т.д.) однаково в усіх інерційних системах відліку? Або, може бути, рівномірний прямолінійний рух, не впливаючи на механічні явища, робить деякий вплив на електромагнітні процеси?
Щоб відповісти на це питання, потрібно було з'ясувати, чи змінюються основні закони електродинаміки при переході від однієї інерціальної системи до іншої або ж подібно до законів Ньютона вони залишаються незмінними. Тільки в останньому випадку можна відкинути сумніви в справедливості принципу відносності стосовно електромагнітним процесам і розглядати цей принцип як загальний закон природи.
Закони електродинаміки складні, і суворе рішення цього завдання - нелегка справа. Однак уже прості міркування, здавалося б, дозволяють знайти правильну відповідь. Відповідно до законів електродинаміки швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі однакова в усіх напрямках і дорівнює: c = 3 × 10 8 м / с. Але, з іншого боку, відповідно до закону складання швидкостей механіки Ньютона швидкість може дорівнювати c тільки в одній обраній системі відліку. У будь-якій іншій системі відліку, що рухається по відношенню до цієї обраної системі зі швидкістю v. швидкість світла повинна вже дорівнювати c # 9472; v. Це означає, що якщо справедливий звичайний закон складання швидкостей, то при переході від однієї інерціальної системи до іншої закони електродинаміки повинні змінюватися так, щоб в цій новій системі відліку швидкість світла вже дорівнювала ні с. а c # 9472; v.
Таким чином, виявилися певні протиріччя між електродинаміки і механікою Ньютона, закони якої узгоджуються з принципом відносності. Виниклі труднощі намагалися подолати трьома різними способами.
Перша можливість полягала в тому, щоб оголосити неспроможним принцип відносності в застосуванні до електромагнітними явищам. Цю позицію відстоював великий голландський фізик, засновник електронної теорії Х. Лоренц. Електромагнітні явища ще з часів Фарадея розглядалися як процеси в особливій, всепроникною середовищі, заповнювала весь простір, # 9472; «Світовому ефірі». Інерціальна система відліку, що спочиває щодо ефіру, # 9472; це згідно Лоренцу особлива переважна система. У ній закони електродинаміки Максвелла справедливі і мають найбільш просту форму. Лише в цій системі відліку швидкість світла у вакуумі однакова в усіх напрямках.
Друга можливість полягає в тому, щоб вважати неправильними рівняння Максвелла і намагатися змінити їх таким чином, щоб вони при переході від однієї інерціальної системи до іншої (відповідно до звичайних, класичними уявленнями про простір і час) не змінювалися. Така спроба, зокрема, була зроблена Г. Герцем. За Герцу, ефір повністю захоплюється рухомими тілами, і тому електромагнітні явища протікають однаково, незалежно від того, покоїться тіло або рухається. Принцип відносності справедливий.
Нарешті, третя можливість дозволу зазначених труднощів полягає у відмові від класичних уявлень про простір і час, з тим щоб зберегти як принцип відносності, так і закони Максвелла. Це найбільш революційний шлях, бо він означає перегляд у фізиці найглибших, найосновніших уявлень. З цієї точки зору виявляються неточності не рівняння електромагнітного поля, а закони механіки Ньютона, написані за старими уявленнями про простір і час. Змінювати потрібно закони механіки, а не закони електродинаміки Максвелла.
Єдино правильною виявилася саме третя можливість. Послідовно розвиваючи її, А. Ейнштейн прийшов до нових уявлень про простір і час. Перші два шляхи, як виявилося, спростовуються експериментом.
При спробах Герца змінити закони електродинаміки Максвелла з'ясувалося, що нові рівняння не здатні пояснити ряд спостережуваних фактів. Так, відповідно до теорії Герца рухається вода повинна повністю захоплювати за собою поширюється в ній світло, тому що вона захоплює ефір, в якому світло поширюється. Досвід же показав, що в дійсності це не так.
Точка зору Лоренца, згідно з якою повинна існувати обрана система відліку, пов'язана зі світовою ефіром, котрі перебувають в абсолютному спокої, також була спростована прямими дослідами.
Таким чином, ідея про існування переважної системи відліку не витримала дослідної перевірки. У свою чергу це означало, що ніякої особливої середовища - «світлоносного ефіру», - з якої можна було б пов'язати таку переважну систему відліку, не існує.
Узгодити принцип відносності з електродинаміки Максвелла виявилося можливим, тільки відмовившись від класичних уявлень про простір і час, згідно з якими відстані і протягом пір не залежать від системи відліку.
Постулати теорії відносності
В основі теорії відносності лежать два постулати.
Зовсім по-іншому підійшов до проблеми Ейнштейн: не варто винаходити різні гіпотези для пояснення негативних результатів будь-яких спроб виявити відмінність між інерційних системах. Законом природи є повне рівноправність всіх інерційних систем відліку в відношенні не тільки механічних, але і електромагнітних процесів. Немає жодної різниці між станом спокою і рівномірного прямолінійного руху.
Принцип відносності - головний постулат теорії Ейнштейна. Його можна сформулювати так: всі процеси природи протікають однаково у всіх інерціальних системах відліку.
Це означає, що у всіх інерційних системах фізичні закони мають однакову форму. Таким чином, принцип відносності класичної механіки узагальнюється на всі процеси в природа, в тому числі і на електромагнітні. Але теорія відносності грунтується не тільки на принципі відносності. Є ще другий постулат: швидкість світла у вакуумі однакова для всіх інерційних систем відліку. Вона не залежить ні від швидкості джерела, ні від швидкості приймача світлового сигналу.
Швидкість світла займає, таким чином, особливе становище. Більш того, як випливає з постулатів теорії відносності, швидкість світла у вакуумі є максимально можливою швидкістю передачі взаємодії в природі.
Для того, щоб зважитися сформулювати постулати теорії відносності, потрібна була велика наукова думка, тому що вони суперечили класичним уявленням про простір і час.
Справді, припустимо, що в момент часу, коли почала координат інерційних систем відліку К і К1. рухомих один щодо одного зі швидкістю v. збігаються, на початку координат відбувається короткочасна спалах світла. За час t системи змістяться один щодо одного на відстань vt. а сферична хвильова поверхня буде мати радіус ct:
Системи До і К1 рівноправні, і швидкість світла однакова у тій і іншій системі. Отже, з точки зору спостерігача, пов'язаного з системою відліку К. центр сфери буде знаходитися в точці О, а з точки зору спостерігача, пов'язаного з системою відліку К1. він буде перебувати в точці О1. Але ж не може одна і та ж сферична поверхня мати центри Про і О1. Це явне протиріччя випливає з міркувань, заснованих на постулатах теорії відносності.
Протиріччя тут дійсно є. Але не всередині самої теорії відносності. є лише
протиріччя з класичними уявленнями про простір і час, які при великих швидкостях вже несправедливі.
До початку XX століття ніхто не сумнівався, що час абсолютно. Дві події, одночасні для жителів Землі, одночасні для жителів будь-космічної цивілізації. Створення теорії відносності показало, що це не так.
Причиною неспроможності класичних уявлень про простір і час є неправильне припущення про можливість миттєвої передачі взаємодій і сигналів з однієї точки простору в іншу. Існування граничної кінцевої швидкості передачі взаємодій викликає необхідність глибокого зміни традиційних уявлень про простір і час, заснованих на повсякденному досвіді. Подання про абсолютний час, яке тече раз і назавжди заданим темпом, абсолютно незалежно від матерії і її руху, виявляється неправильним.
Якщо допустити миттєве поширення сигналів, то твердження, що події в двох просторово розділених точках А і В відбулися одночасно, буде мати абсолютний сенс. Можна помістити в точки А і В годинник і синхронізувати їх з допомогою миттєвих сигналів. Якщо такий сигнал відправлений з А. наприклад, в 0 год 45 хв і він в цей же момент часу по годинах У прийшов в точку В, то, значить, годинник показує однаковий час, тобто йдуть синхронно. Якщо ж такого збігу немає, то годинник можна синхронізувати, підвівши вперед ті години, які показують менший час в момент відправлення сигналу.
Будь-які події, наприклад, два удари блискавки, одночасні, якщо вони відбуваються при однакових свідченнях синхронізованих годин.
Тільки маючи в точках А і В синхронізованими годинами, можна судити про те, чи відбулися два будь-яких події в цих точках одночасно чи ні. Але як можна синхронізувати годинник, що знаходяться на деякій відстані один від одного, якщо швидкість поширення сигналів не нескінченно велика?
Для синхронізації годин природно вдатися до світлових або взагалі електромагнітним сигналом, тому що швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі є строго визначеною, постійною величиною.
Розглянемо докладніше простий метод синхронізації годин, що не вимагає ніяких обчислень. Припустимо, що космонавт хоче дізнатися, чи однаково йдуть годинник А і В. встановлені на протилежних кінцях космічного корабля.
Для цього за допомогою джерела, нерухомого щодо корабля і розташованого в його середині, космонавт виробляє спалах світла. Світло одночасно досягає обох годин. Якщо показання годин в цей момент однакові, то годинник йде синхронно.
Але так буде лише щодо системи відліку К1. пов'язаної з кораблем
У системі ж відліку К. щодо якої корабель
рухається, положення інше. Годинники на носі корабля віддаляються від того місця, де стався спалах світла джерела (точка з координатою ОС), і, щоб досягти годин А. світло повинне подолати відстань, більшу половину довжини корабля.
Навпаки, годинник В на кормі наближаються до місця спалаху, і шлях світлового сигналу менше половини довжини корабля (на малюнках зліва показано, як, в першому випадку, координати х і х1 збігаються в момент спалаху, потім, як світло досягає годин В). Тому спостерігач в системі К приходить до висновку, що сигнали досягають годин неодночасно.
Два будь-яких події в точках А і В. одночасні в системі К1. неодночасно в системі К. Але в системі принципу відносності системи К1 і К абсолютно рівноправні. Жодної з цих систем не можна віддати перевагу. Тому ми змушені прийти до висновку, що одночасність просторово розділених подій відносна. Причиною відносності одночасності є, як ми бачимо, кінцівку швидкості поширення сигналів.
Одночасність подій відносна. Уявити собі це наочно, «відчути», ми не в змозі через те, що швидкість світла багато більше тих швидкостей, з якими рухаємося ми.
Основні наслідки, що випливають з постулатів теорії відносності.
З постулатів теорії відносності випливає ряд найважливіших наслідків, що стосуються властивостей простору і часу.
Відносність відстаней. Відстань не є абсолютною величиною, а залежить від швидкості руху тіла відносно даної системи відліку.
Позначимо через lo довжину стержня з системі відліку К. щодо якої стрижень спочиває. Тоді довжина l цього стрижня в системі відліку К1. щодо якої стрижень рухається зі швидкістю визначається формулою:
Як видно з цієї формули, l Відносність проміжків часу. Нехай інтервал часу між двома подіями, що відбуваються в одній і тій же точці інерціальнійсистеми К. дорівнює # 964; 0. Цими подіями, наприклад, можуть бути два удари метронома, відлічує секунди. тоді інтервал # 964; між цими ж подіями в системі відліку К1, що рухається відносно системи К виражається так: Очевидно, що # 964;> # 964; o. У цьому полягає релятивістський ефект уповільнення часу в рухомих системах відліку. якщо v Релятивістський закон додавання швидкостей. Новим релятивістським уявленням про простір і час відповідає новий закон складання швидкостей. Очевидно, що класичний закон додавання швидкостей не може бути справедливий, тому що він суперечить твердженням про сталість швидкості світла у вакуумі. Якщо поїзд рухається зі швидкістю v і в вагоні в напрямку руху поїзда поширюється світлова хвиля, то її швидкість відносно Землі повинна дорівнювати знову-таки з. а не v + c. Новий закон складання швидкостей і повинен приводити до необхідного результату. Запишемо закон складання швидкостей для окремого випадку, коли тіло рухається вздовж осі Х1 системи відліку К1. яка в свою чергу рухається зі швидкістю v відносно системи відліку К. Причому в процесі руху координатні осі Х і Х1 весь час збігаються, а координатні осі Y і Y1. Z і Z1 і і залишаються паралельними. Позначимо швидкість тіла щодо К1 через v1. а швидкість цього ж тіла відносно До через v. Тоді релятивістський закон складання швидкостей матиме вигляд Якщо і. то дробом в знаменнику можна знехтувати, і замість цієї фігні зліва ми отримаємо класичний закон додавання швидкостей: v2 = v1 + v. При v1 = c швидкість v2 також дорівнює c. як цього вимагає другий постулат теорії відносності. дійсно, Чудовим властивістю релятивистского закону складання швидкостей є те, що при будь-яких швидкостях v і v1 (звичайно, не великих с) результуюча швидкість v2 не перевищує с. курс лекцій «Концепції сучасного природознавства» А.А. Горєлов підручник з фізики Г.Я. Мякішев, Б.Б. Буховцев
Схожі статті