Переход от электро-магнитной теории к специальной теории относительности

Содержание

Введение. 3

1. Теория электромагнитного
поля Максвелла. 4

2.  Переход от
электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна. 6

3. Специальная теория
относительности А.Эйнштейна. 11

Заключение. 14

Список литературы.. 15

Для физика начала XIX в. не
существовало понятия о поле как реаль­ной среде, являющейся носителем
определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось становление континуальной, полевой фи­зики.
Одновременно с возникновением волновой теории света фор­мировалась совершенно
новая парадигма физического исследова­ния — полевая концепция в физике. Здесь
особая заслуга принадле­жит великому английскому физику М. Фарадею.

Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он еще
при жизни приобрел огромный авторитет и славу. Однако к его теоретическим
взглядам современники в лучшем случае остава­лись безразличными. Первым обратил
на них серьезное внимание Дж.К.Максвелл. Он воспринял эти представления, развил
их и по­строил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике по­нятие
«эфир» и сформулированное в теории электрических и магнит­ных явлений понятие
«электромагнитное поле» сначала сближают­ся, а затем, уже в начале XX в., с созданием специальной теории
относительности, полностью отождествляются.

Таким образом, понятие поля
оказалось очень полезным. Будучи вначале лишь вспомогательной моделью, это
понятие становится в физике XIX
в. все более и более конструктивной абстракцией. Она позволяла понять многие
факты, уже известные в области электри­ческих и магнитных явлений, и
предсказывать новые явления. Со временем становилось все более очевидным, что
этой абстракции соответствует некоторая реальность.
Постепенно понятие поля за­воевало центральное место в физике и сохранилось в
качестве одного из основных физических понятий.

Эта теория представлена в сжатой и простой (изящной)
форме в виде шести уравнений в част­ных производных. Система взглядов, которая
легла в основу уравнений Максвелла, получила название теории
электромагнитного поля Макс­велла.

Хотя эта система уравнений имеет простой вид, но чем
больше сам Максвелл и его последователи работали над ни­ми, тем более глубокий
смысл открывался им. Генрих Герц, который экспериментально получил
электромагнитные из­лучения, предсказанные теорией Максвелла, говорил о неис­черпаемости
уравнений Максвелла. Герц отмечал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не
испытывая по време­нам такого чувства, будто математические формулы живут
собственной жизнью, обладают собственным разумом, - ка­жется, что эти формулы
умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое
время в них было заложено».

Необходимо, однако, отметить, что свои уравнения
Максвелл получал иногда вопреки правилам матема­тики. Для него исходными были
физические идеи и со­ображения, которые он облекал самостоятельно в ма­тематическую
форму. Поэтому для современников его теория выглядела странной и непонятной, и
многими учеными воспринималась скептически до тех пор, пока Герц не дал ее
всестороннее экспериментальное обос­нование. [2]

Среди постоянных величии, входящих в уравнение Макс­велла,
была константа с. Применив уравнение к конкретному случаю, Максвелл нашел, что
она точно совпадает со ско­ростью света. Процесс распространения поля будет
продол­жаться бесконечно в виде незатухающей волны, поскольку энергия
магнитного поля в пустоте полностью переходит в энергию электромагнитного поля,
и наоборот. Причем свет, так же как и электромагнитное поле, распространя­ется
в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 300 000 км/с. Из всех
этих совпадений видно, что свет име­ет электромагнитную природу, что световой
поток - это по­ток электромагнитных волн. В световых волнах колебания совершают
напряженности электрического и магнитного по­лей, а носителем волны служит само
пространство, которое находится в состоянии напряжения.

Открытие Максвелла сравнимо по научной значимо­сти с
открытием закона всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению
понятия всеобще­го закона тяготения, труды Максвелла - к введению понятия
электромагнитного поля и электромагнит­ной природы света. Работы Максвелла
привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнит­ного поля,
которое не совместимо с материальными точками и вещественной массой
классической физики. Поле - это новая фундаментальная физическая реаль­ность.
Поэтому представления о поле должны высту­пать в качестве первичных, исходных
понятий. Как отме­чал А. Эйнштейн, электромагнитное поле не нуждается даже в
эфире, поскольку поле само является фундамен­тальной реальностью.

В работах по принципиальным вопросам физики А. Эйн­штейн
ввел понятие «программа Максвелла», которую тол­ковал как «полевую программу».
Сам Эйнштейн стоял на по­зициях полевой программы и до конца своей жизни
стремился построить единую теорию поля, хотя и безуспешно. [2]

В конце XIX века теория
Максвелла стала играть ведущую роль в физике, и вместе с тем она вступила в
противоречие с МКМ. Вместо принципа дальнодейст­вия она выдвинула и обосновала
прямо противоположный принцип близкодействия, согласно которому сило­вое
действие передается от точки к точке. Скорость све­та включена в новую теорию,
что хотя бы в скрытой форме противоречит бесконечно большим скоростям,
допускаемым в классической физике. Наконец, открыт новый тип физической
реальности - поле, которое не сводится ни к материальным точкам, ни к веществу,
ни к атомам. Если к этому добавить обнажившиеся про­тиворечия и слабые стороны
самой классической фи­зики, то станет понятно, что в конце XIX
века стре­мительно нарастал кризис механистической научной картины мира.

Теорию Максвелла ряд авторов интерпретируют как но­вую
- электромагнитную научную картину мира. С этим нельзя согласиться: пере­ход от
одной НКМ к другой может совершиться лишь при условии, если развитие
естествознания приведет к качест­венно новой трактовке не одного, а целой
группы базисных понятий. Тогда как теория Максвелла в явном виде выдви­нула
лишь один новый принцип - принцип близкодейст­вия. В остальном она просто вышла
за рамки МКМ, посколь­ку не укладывалась в них, что само по себе не означает
новой НКМ. Правда, теория Максвелла первой вышла за рамки МКМ, поэтому
дальнейшая ломка МКМ была продолжени­ем дела, начатого Максвеллом.

С конца XIX - начала XX века ученые приступили к изучению качественно новых
объектов в сравнении с классической физикой, и на этой основе был получен целый
ряд принципиально новых результатов, позво­ливших дать новое истолкование
некоторым базисным  понятиям.

Первое и, по-видимому, самое мощное влияние на
перестройку НКМ оказала теория относительности выдающегося физика-теоретика XX столетия Альбер­та Эйнштейна (1879-1955).

Поскольку в теории относительности Эйнштейна большую
роль играет принцип относительности движения в формули­ровке Ньютона, то
полезно еще раз привести ее. Впервые этот принцип ввел Галилей, о чем
говорилось выше. С уче­том идей Декарта Ньютон уточнил и расширил формулиров­ку
Галилея. В частности, в качестве систем отсчета он брал не тела, а декартову
систему координат. [2]

Среди систем отсчета выделяют инерциальные, особенность
которых состоит в том, что для них выполняется прин­цип относительности
движения.

Принцип относительности движения означает, что во
всех инерциальных системах отсчета механические процессы ин­вариантны. Иначе
говоря, два наблюдателя в одной и другой инерциальной системе отсчета увидят,
что в их системах фи­зические процессы протекают одинаково. Это означает также,
что переход от одной инерциальной системы отсчета к другой осуществляется по
правилам галилеевых преобразований, рассмотренных выше. И наоборот, если при
переходе от одной системы отсчета к другой правила галилеевых пре­образований
не выполняются, то и принцип относительности движения не выполняется, поэтому
такие системы отсчета не будут инерциальными. Таким смыслом наполнен принцип
относительности движения в классической механике.

Эйнштейн был тонким мыслителем, он всегда стремился
максимально упорядочить логическую структуру физических теорий.
Физики-теоретики того вре­мени, включая Эйнштейна, стремились теоретически и ло­гически
упорядочить электродинамику Максвелла. В итоге таких усилий возникли новые
теории специальная и общая теория относительности Эйнштейна.

Теории
электромагнитного поля Максвелла были присущи два недостатка:

1.  Она не совмещалась с принципом относительно­сти движения классической
физики, поскольку ее урав­нения оказались неинвариантными относительно пре­образований
Галилея. Это был существенный изъян, поскольку вся практика подтверждала и
подтверждает этот принцип, и никакая теория не опровергает его.

2.  Полевая картина физической реальности Макс­велла оказалась
теоретически неполной и логически противоречивой, так как трактовка
электрического по­ля и электрически заряженных частиц (носителей поля) не была
увязана концептуально. Эйнштейн отмечал: тео­рия Максвелла хотя и правильно
описывает поведение электрически заряженных частиц, но не дает теории этих
частиц. Следовательно, они должны рассматриваться на основе классической
механики как материальные точ­ки, расположенные в пространстве дискретно, что
про­тиворечит понятию поля. Последовательная полевая теория требует
непрерывности всех элементов теории. [2]

Решение этого вопроса, данное Эйнштейном,
оригинально и поучительно. Объектом изучения в классической механике были или
материальные точки, или точки пространства, или моменты времени. Он отвергает
все эти разделительные «или».

Объектом теории относительности выступают
«физические со­бытия» как целостные объекты, в которых объединены по­нятия
материи, движения, пространства, времени. Физической реальностью, отмечал Эйнштейн,
обладают не точки прост­ранства и не моменты времени, а только сами события,
опре­деленные четырьмя числами х, у, z, t. «Законы природы при­мут наиболее удовлетворительный с
точки зрения логики вид, будучи выражены как законы в четырехмерном пространст­венно-временном
континууме» [4].

Остановимся теперь на рассмотрении первого не­достатка.
Анализ показал, что уравнения Максвелла неинвариантны относительно галилеевых
преобразо­ваний. Это значит, что при переходе от одной инерциальной системы
отсчета к другой форма уравнений оказывалась разной. Это равносильно тому, что
в раз­ных системах отсчета один и тот же физический процесс осуществлялся по
разным законам, что противоречит науке. Как же уберечь теорию Максвелла от
этого не­достатка?

В 1890 году Г. Герц искусственно подобрал систему
урав­нений, инвариантных относительно галилеевых преобразо­ваний, которые в
частном случае покоящегося тела обраща­ются в уравнения Максвелла. Однако
уравнения Герца про­тиворечили опытно установленному постоянству скорости света
(300 000 км/с).

Еще один вариант переработки уравнений Максвола
предпринял голландский физик-теоретик Г.Лоренц, но и его уравнения оказались
неинвариантными относительно галилеевых преобразований.

И тогда поступили, как в той известной притче: «Ес­ли
гора не идет к Магомеду, то Магомед идет к горе» Поскольку не удалось
переформулировать уравнения Максвелла так, чтобы они стали инвариантными
относительно галилеевых преобразований, то Лоренц предпринял обратный ход: решил сами правила галилеевых преобразо­ваний
видоизменить (проще говоря, подогнать) так, чтобы относительно этих правил
уравнения Максвелла оказались инвариантными.

Лоренцевы преобразования - это новые (отличные от
га­лилеевых) правила перехода от одной инерциалыюй системы отсчета к другой.
Для одной точки в декартовой системе координат без штрихов при переходе к
системе отсчета со штрихами лоренцевы преобразования устанавливают сле­дующие
правила:

Как видим, отличие правил лоренцевых
преобразований от галилеевых существенно. Это отличие станет еще более зримым,
если определять не координату материальной точки, а размер макроскопического
тела, например, жесткого стерж­ня длиной l. Такой стержень имеет начальную и конечную точки на оси х¹,
х. Определив координаты этих точек и вычитая из координаты с большим значением
координату с меньшим значением, получим математическое выражение для длины (l) и для
времени (t) движущегося стержня:

Здесь l-длина
движущегося стержня, l₀ - длина покоящеюся стержня, v - скорость движения стержня (системы
отсчета), t - время покоящегося стержня, t₀ - время движущегося стерж­ня, с - скорость света в пустоте. [2]

Рассмотрим соотношения l и t сначала формально. При малых значениях
величины v, по сравнению
со скоростью света, значением дроби и подкоренного выражения можно пре­небречь.
Тогда l = l₀ и t = t₀, что равносильно возврату от лоренцевых преобразований к
галилеевым. Если же значения величины v достаточно большие (сравнимые со скоростью
света), то значением подкоренного выражения нельзя пре­небречь и оно будет
уменьшаться. Соответственно этому значение величины  l будет уменьшаться, а значение величи­ны t - возрастать. В таком случае с ростом скорости движе­ния (v) различия между преобразованиями Лоренца и
пре­образованиями Галилея будут нарастать.

Итак, Лоренц искусственно получил новые правила перехода от одной
инсрпиалыюй системы к другой. При этом уравнения Максвелла оказываются
инвариант­ными в любых инерциальных системах отсчета. Одна­ко неизвестной
остается реальность самих преобразо­ваний Лоренца: имеют они физический смысл
или пег? Поскольку эти правила получены искусственно, то сам Лоренц отказывался
придавать им физический смысл. Над ним довлели представления классической
физики о неизменности пространства и времени. [3]

Иначе подошел к этому вопросу А. Эйнштейн. За фактом хорошей
согласованности лоренцевых преобразований с теорией Максвелла он угадал
реальный физический смысл самих преобразо­ваний. Для этого он предпринял
попытку дедук­тивного построения теории, которая бы наполнила преобразования
Лоренца физическим смыслом. Иначе говоря, он задался целью углубить пони­мание
принципа относительности путем его раз­вертывания в теорию относительности.

В качестве постулатов дедуктивной теории он принял два принципа.
Прежде всего - принцип относительности клас­сической физики, резко расширив
его, распространив его не только на механическое движение, но и на
электромагнитные и световые процессы. Уже в исходной посылке Эйнштейн объединил
классическую механику и электромагнитную тео­рию Максвелла. В качестве второго
постулата он взял прин­цип постоянства скорости света в пустоте. Поскольку
скорость света в качестве константы включена в уравнения Максвел­ла, то
Эйнштейн принял эту константу и для классической физики. Тем более что в конце XIX века экспериментально было надежно
установлено, что скорость света конечна, хотя и велика. Позже было принято
считать, что скорость снега в пустоте составляет примерно 300 000 км/с.

Таким образом, постулатами частной теории отно­сительности
являются два принципа.

1.  Принцип
относительности движения, которому Эйнштейн придал всеобщий характер,
распространив его с механических на магнитные, электрические и све­товые
процессы.

2. Принцип
постоянства скорости света в пустоте, со­ставляющей   300 000 км/с. Эта
скорость является макси­мальной возможной скоростью распространения ма­териальных
взаимодействий.

Из этих двух физических принципов Эйнштейн заново вывел
математические правила преоб­разования Лоренца. Но теперь математическая форма
соотношений l и t наполнена физичес­ким смыслом, поскольку их Эйнштейн вывел из
физических посылок. Из соотношений l и t можно видеть, что, когда скорость
движения те­ла становится сравнимой со скоростью света, ли­нейный размер
тела физически сокращается в на­правлении его движения. Со временем
происходят противоположные изменения: его течение замед­ляется, ритмика
течения времени растягивается. [1]

Если скорость движения тела приближается к скорости света, то тело
сжимается в направлении движения до такой степени, что превращается в плоскую
фигуру (в лепешку). Значит, допускавшиеся в классической физике скорости, пре­вышающие
скорость света в пустоте, не имеют физического смысла. Отсюда следует, что
скорость распространения ма­териальных взаимодействий в природе не может
превышать скорость света в пустоте.

Таким образом, дедуктивные следствия из физичес­ких постулатов
привели Эйнштейна к построению раз­вернутой содержательной теории, которую затем
он на­зовет частной, или специальной. Специальная теория относительности (СТО)
обобщает классическую физи­ку и электродинамику Максвелла и выступает как реля­тивистская
физика, в которой дается новая теория таких понятий, как масса, движение,
пространство, время.

В классической физике пространство оторвано от времени, и они
рассматриваются как абсолютные. Абсолютны они потому, что оторваны
от движущихся материальных тел. Специальная теория относительности
устанавливает зависи­мость пространства и времени от скорости движения мате­риальных
тел. Кроме того, она устанавливает неразрывную связь пространства и времени,
поскольку они изменяются синхронно, и притом в противоположных направлениях:
при больших скоростях движения тел их линейный размер сокра­щается в
направлении движения, а ритмика течения времени растягивается. Поэтому
рассмотрение физических событий должно относиться к единому четырехмерному
пространст­венно-временному континууму: х, у, z, t.

Свою критику классической механики Эйнштейн на­чал с пересмотра
«абсолютного времени», понимаемого как одновременность всех событий в мире. В
класси­ческой физике одновременности двух событий в точках пространства А и В
обосновывалась переносом часов из одной точки в другую. Несостоятельность этого
аргу­мента вытекает из факта конечной скорости распрост­ранения материальных
взаимодействий. [3]

Хотя СТО базируется на рассмотрении инерциальных систем отсчета,
она все же позволяет установить важную зависимость для ускоренного движения. В
ре­лятивистской физике считается, что чем выше ско­рость движения тела, тем
труднее увеличить ее. Пос­кольку сопротивление изменению скорости тела на­зывается
его массой (инерционной), то отсюда следует, что масса тела возрастает с ростом
скорости его дви­жения. В классической механике массу рассматрива­ют как
постоянную величину - это релятивистская мас­са покоя. В СТО массу считают
переменной величиной, зависящей от скорости движения:

Это изменение массы можно обнаружить лишь при
больших скоростях, например, при движении электро­нов вокруг ядра атома, что и
было затем установлено экспериментально.

После опубликования СТО Эйнштейн из зависимости
массы от скорости движения математическим путем получил новое следствие - вывод
о равенстве инертной и весовой массы.

Отсюда ученый сделал два радикальных
вывода:                                                                         

а) о равенстве
весовой и инертной массы,            

б) об
эквивалентности массы и энергии.

Случай с кинетической
энергией Эйнштейн обобщил на все формы энергии: энергия в любой форме ведет
себя как масса. Энергия является массой, а масса представляет собой энергию.
Энергия и масса преобразуются друг в друга по формуле:

E = m · c²

где Е - энергия, m - масса движущегося тела, с - скорость света в пустоте.

Создание
СТО было качественно новым шагом в развитии физи­ческого познания. От
классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание
релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами
наблюдения. Описание физичес­ких процессов в СТО существенно связано с выбором
системы коор­динат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по
себе, а результат взаимодействия физического процесса со средства­ми
исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн в статье «К электродинамике
движущихся тел» пишет: «Суждения всякой теории касаются соотношений между
твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процес­сами»[5].
В СТО через осознание того, что нельзя дать описание физи­ческого процесса
самого по себе, можно только дать его описание по отношению к определенной
системе отсчета, впервые в истории физики непосредственно проявился
диалектический характер про­цесса познания, активность субъекта познания,
неотрывное взаимодействие субъекта и объекта познания.

1.   Горелов
А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2001. – 208с.

2.   Мотылева
Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания.
– СПб.: Союз, 2000. – 320с.

3.   Найдыш
В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики, 2000. – 476с.

4.   Пахомов
Б.Я. Становление современной научной картины мира. – М., 1995.

5.   Эйнштейн
А. Собрание научных трудов. – М.: Просвещение, 1987.