История физики: теория относительности
Горяев М.А.
В
конце 19 - начале 20 века в физике были сделаны важные открытия, которые в
значительной мере видоизменили классическую физику и внесли революционные идеи
в понимание окружающих нас физических явлений, прежде всего, на уровнях микро-
и мегамира. При этом всё развитие новейшей физики, в особенности, учения о
строении материи поразительно точно соответствует гениальному пророчеству
Ньютона, которое он высказал в своей "Оптике": "Мельчайшие
частицы материи могут сцепляться посредством сильнейших притяжений, составляя
большие частицы, но более слабые; многие из них могут также сцепляться и
составлять еще большие частицы с еще более слабой силой - и так в ряде
последовательностей, пока прогрессия не закончится самыми большими частицами,
от которых зависят химические действия и цвета природных тел; при сцеплении
таких частиц составляются тела заметной величины... Таким образом, в природе
существуют агенты, способные сжимать вместе частицы тел весьма сильными
притяжениями. Обязанность экспериментальной философии их разыскать".
Во
второй половине 19 века появились трудно преодолимые противоречия в
классической физике. Одно из них связано с опытом Альберта Майкельсона
(1852-1931), в котором он установил, что эфир движется вместе с Землей, что
противоречило наблюдениям по аберрации света. С другой стороны, уравнения
Максвелла неинвариантны относительно преобразований Галилея. В 1904 г. Лоренц
нашел, что эти противоречия снимаются при другом виде преобразований, которые
получили название лоренцовых.
Лоренц
Хендрик Антон (18.07.1853-04.02.1928) - нидерландский физик, член Нидерландской
и многих других академий наук и научных обществ, иностранный член-корреспондент
Петербургской АН (1910), почетный член АН СССР (1925). Родился в Арнеме. Учился
в Лейденском университете, степень доктора (1875). В 1878-1913 - профессор
Лейденского университета и заведующий кафедрой теоретической физики. С 1913 -
директор физического кабинета Тейлеровского музея в Гарлеме.
Работы
в области электродинамики, термодинамики, статистической механики, оптики,
теории излучения, теории металлов, атомной физики. Создал классическую
электронную теорию как теорию электрических, магнитных и оптических свойств
вещества и электромагнитных явлений на основе теории Максвелла-Герца и анализа
движения дискретных электрических зарядов (уравнения Лоренца-Максвелла). Вывел
формулу связи диэлектрической проницаемости с плотностью диэлектрика и зависимость
показателя преломления вещества от его плотности (формула Лоренца-Лоренца), дал
выражение для силы, действующей на электрический заряд в электромагнитном поле
(сила Лоренца), объяснил зависимость электропроводности вещества от его
теплопроводности, развил теорию дисперсии света. Предсказал расщепление
спектральных линий в магнитном поле и после открытия в 1896 этого явления
П.Зееманом разработал его теорию (Нобелевская премия, 1902).
Независимо
от Дж.Фитцжеральда в 1892 выдвинул гипотезу о сокращении размеров тел в
направлении их движения (сокращение Лоренца-Фитцжеральда), ввел в 1895 понятие
о местном времени. Вывел формулы, связывающие пространственные координаты и
моменты времени одного и того же события в различных инерциальных системах
отсчета, получил зависимость массы электрона от скорости, подготовив переход к
теории относительности.
Был
организатором и председателем (1911-27) Сольвеевских конгрессов физиков.
Однако
применение преобразований Лоренца было чисто формальным решением проблемы. В
1904-05 г.г. Пуанкаре показал, что невозможно обнаружить абсолютное движение,
исходя из представлений об эфире и уравнений Максвелла-Лоренца, и в 1905 г. в
работе "О динамике электрона" развил математические следствия
постулата относительности.
Пуанкаре
Жюль Анри (29.04.1854-17.07.1912) - французский математик, физик, астроном и
философ, член Парижской АН (1887), почетный член многих академий наук,
член-корреспондент Петербургской АН (1895), медали Дж.Сильвестера,
Н.И.Лобачевского и др. Родился в Нанси. Учился в Политехнической школе, окончил
горную школу (1879). С 1881 работал в Парижском университете (с 1886 -
заведующий кафедрой). В 1883-97 - репетитор, в 1904-08 - профессор
Политехнической школы, с 1902 - также заведующий кафедрой Высшей школы
ведомства связи.
Физические
работы относятся к области теории относительности, термодинамики,
электричества, оптики, теории упругости, молекулярной физики. Независимо от
А.Эйнштейна высказал принцип относительности в качестве всеобщего положения. В
математике большой цикл работ относится к теории дифференциальных уравнений,
Пуанкаре провел важные исследования в теории трансцендентных функций,
топологии. Широко применил свои математические результаты в небесной механике и
физике.
Радикально
согласовать механику и электродинамику удалось лишь с появлением в 1905 г.
работы Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел".
Эйнштейн
Альберт (14.03.1879–18.01.1955) – физик-теоретик, член многих академий наук и
научных обществ, иностранный член АН СССР (1926), медали Копли, Франклина и
др., в его честь назван 99 химический элемент - эйнштейний. Родился в Ульме в
семье предпринимателя. Окончил Федеральный технологический институт в Цюрихе
(1901), получил степень доктора в Цюрихском университете (1905). В 1902-08
работал в патентном бюро в Берне, в 1909-12 – профессор Цюрихского
политехникума, в 1911 – профессор Немецкого университета в Праге, в 1914-33 –
профессор Берлинского университета и директор Института физики. После
установления фашизма в Германии в 1933 переехал в США, где до конца жизни
работал в Принстонском институте перспективных исследований.
Создатель
специальной и общей теорий относительности, коренным образом изменивших
представление о пространстве, времени и материи. Эти теории заставили
пересмотреть основные положения классической физики в случае движения со
скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Все положения и выводы специальной
теории относительности подтвердились в многочисленных экспериментах. В 1905
открыл закон взаимосвязи массы и энергии, который лежит в основе расчета
энергетического баланса ядерных реакций, всей ядерной физики.
Эйнштейн
сыграл важную роль в создании квантовой теории, ввел в 1905 представление о
квантовой структуре самого излучения, теоретически открыл фотон,
экспериментально обнаруженный А.Комптоном в 1922. Исходя из квантовых
представлений, объяснил фотоэффект, правило Стокса для флуоресценции,
фотоионизацию и другие световые явления, которые не могла объяснить
электромагнитная теория света (Нобелевская премия, 1921). В 1907 распространил
идеи квантовой теории на процессы тепловых колебаний в твердом теле, объяснив
уменьшение теплоемкости при понижении температуры и разработав первую квантовую
теорию теплоемкости твердых тел. В 1909 рассмотрел корпускулярно-волновой
дуализм для излучения, получил формулу для флуктуаций энергии равновесного
излучения. В 1912 установил основной закон фотохимии: каждый поглощенный фотон
вызывает элементарную фотореакцию. Предсказал в 1916-17 явление индуцированного
излучения, ввел вероятности спонтанного и вынужденного излучения (коэффициенты
Эйнштейна).
В
статистической физике развил молекулярно-статистическую теорию броуновского
движения, в 1924-25 создал квантовую статистику частиц с целым спином
(статистика Бозе-Эйнштейна). В 1915 предсказал и совместно с В. де Гаазом
экспериментально обнаружил изменение механического момента при намагничивании
тела (эффект Эйнштейна-де Гааза).
В
1915 завершил создание общей теории относительности или современной
релятивистской теории тяготения, установившей связь между пространством-временем
и материей. В ее основе лежат принципы эквивалентности (отношение инертной и
гравитационной масс одинаково для всех тел) и относительности. Общая теория
относительности объясняет сущность тяготения, состоящую в изменении
геометрических свойств, искривления четырехмерного пространства вокруг тел,
которые создают поле тяготения. Она экспериментально подтвердилась в
искривлении светового луча в поле тяготения Солнца, смещении перигелия Меркурия
и гравитационном красном смещении. В 1916 постулировал гравитационные волны и в
1918 вывел формулу для мощности гравитационного излучения. Начиная с 1933,
Эйнштейн занимался вопросами космологии и единой теории поля, но построить
последнюю не удалось.
Эйнштейн,
прежде всего, обратил внимание на асимметрию уравнений Максвелла для движущихся
тел и поставил задачу добиться инвариантности законов и механики, и
электродинамики во всех инерциальных системах (принцип относительности). Другой
принцип новой теории - постоянство скорости света. В релятивистской теории
пересматривается такое фундаментальное понятие как время, а также меняется
представление о массе, которая в определенном смысле становится эквивалентной
энергии. Эти положения специальной теории относительности, конечно, были очень
новы, но почти сразу же получили дополнительные экспериментальные
подтверждения, в частности, по релятивистскому изменению массы в ряде ядерных
явлений.
Вслед
за этим Эйнштейном была сформулирована и общая теория относительности, в
которой утверждался принцип эквивалентности поля тяготения и ускоренного
движения. Основным постулатом теории опять же стало требование инвариантности
законов физики в любых системах отсчета, в том числе и неинерциальных. Эта
теория также получила экспериментальное подтверждение по исследованию отклонения
светового луча в гравитационном поле и в других астрономических наблюдениях.
Теперь
уже теория относительности считается частью классической физики, т.к. основным
ее законам не противоречит, а лишь раздвигает границы ее применимости. Кроме
того, объединив понятия пространства и времени, энергии и массы, тяготения и
инерции, эта теория в определенной степени воплотила основную идею 19 века по
созданию единой картины мира.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://lscore.lspace.etu.ru/