Физические законы в естествознании

- движущаяся материальная  среда, в которой распространяется  свет, увлекает за собой эфир, но уже со скоростью, составляющей  только половину скорости среды. Натолкнувшись на эти противоречивые результаты, теория эфира в конце концов рухнула.

 В 1905 год у Альберт  Эйнштейн (1879-1955) выдвинул новую радикальную идею. Одним смелым ударом он отбросил теорию эфира с ее произвольными предположениями и замени ее только двумя постулатами. На базе этих постулатов Альберт Эйнштейн построил величественную теорию, которая стала образом логического совершенства. Теория относительности Эйнштейна перебросила мост между механикой и электромагнетизмом и связала воедино обе великие теории классической физики.

Найденное Альбертом  Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время –  совершенно различно и не связанные друг с другом понятия. С точки зрения Эйнштейна, мы живем не в трехмерном пространстве, к которому присоединяется понятие времени; напротив – пространственные и временная координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство- время.( E = m*c2)

Тем, кто впервые сталкивается с теорией относительности, ее представления могут показаться несколько странными и искусственными. Однако предсказываемые этой теорией явления становятся заметными лишь при скоростях, близких к скорости света, тогда как наше мышление основывается на повседневном опыте, в котором столь высокие скорости движения никогда не встречаются. Если бы мы жили в мире больших скоростей, то представление теории относительности были бы естественными и легко воспринимались. И все же обязаны следовать принципу: если экспериментальные факты находятся в противоречии с предшествующими воззрениями, то надо менять не факты, а воззрение. В сущности эти воззрения были проявлением того же «здравого смысла», который когда- то поддерживал представление о том, что Земля плоская. [2,с.117]

Теория относительности  всегда играла  в современной  физике особо важную роль. В  ней  впервые была  показана необходимость  периодического  изменения основополагающих  принципов физики. Поэтому  обсуждение тех проблем, которые были  подняты   и   отчасти решены  теорией  относительности, существенно необходимо для  рассмотрения философских аспектов современной  физики.  В известном  смысле  можно сказать, что создание  теории относительности противоположности квантовой теории потребовало  сравнительно  немного времени с момента окончательного осознания  трудностей, о  которых в данном случае  шла речь,  до их разрешения.[5,с.63]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Специальная  теория относительности.

Эйнштейн кладет два принципа, которые он формулирует следующим  образом:

1. Принцип относительности  (позднее названный специальным  принципом относительности). Законы, управляющие всеми физическими явлениями,- одни и те же для двух наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга.

2. Принцип постоянства  скорости света. Свет распространяется  в пустоте с постоянной скоростью по всем направлениям независимо от движения источника и наблюдателя.

 Из этих двух принципов  Эйнштейн вывел математически  лоренцево сокращение движущихся  тел при их наблюдении из  покоящейся системы: если скорость движущегося тела приближается к скорости света, сжатие достигает максимума и тело сжимается в плоскую фигуру. Отсюда следует, что скорость, превышающая скорость света в пустоте, не имеет никакого физического смысла, т. е. скорость распространения света в пустоте - максимально достижимая в природе.

Принцип постоянства скорости света находится в прямом противоречии с принципами классической механики. Он устанавливает верхний предел возможных скоростей, тогда как в классической механике возможны сколь угодно большие скорости. Поэтому новый постулат приводит к изменению правила сложения скоростей классической механики. Так, сложение скорости света со скоростью источника дает во всех случаях опять-таки скорость света. Классическая формула сложения скоростей одинакового направления очень проста: результирующая скорость равна алгебраической сумме составляющих скоростей. Релятивистская формула, найденная Эйнштейном, более сложна и обладает тем свойством, что при малых скоростях, далеких от скорости света, она практически эквивалентна классической формуле, отклоняясь от нее тем больше, чем больше складывающиеся скорости

Утверждения релятивистской механики отличаются от утверждений  классической механики, но переходят  в них при малых скоростях. Таким образом, классическая механика оказывается первым приближением, справедливым для обычных условий; этим и объясняется, почему ее считали точной и соответствующей опыту в течение более чем двух столетий.

  «Было бы нелепо, - говорит Эйнштейн в одной из  своих популярных книг, - применять  теорию относительности к движению  автомобилей, пароходов и поездов, как нелепо употреблять счетную машину там, где вполне достаточно таблицы умножения»

Одним из первых следствий  из принятых постулатов является то, что  все физические законы или, лучше  сказать, их математические выражения  остаются инвариантными при лоренцевых преобразованиях. Тем самым был  установлен критерий для определения  того, укладывается ли какой-нибудь закон  в релятивистскую схему: достаточно убедиться, что его математическое выражение не меняет своей формы при лоренцевых преобразованиях. Таким образом было установлено, например, что уравнения Максвелла укладываются в релятивистскую схему, а закон всемирного тяготения не вписывается в нее. Минковский, у которого некогда учился Эйнштейн в Цюрихе, в своей знаменитой теории, сформулированной в 1907 - 1908 гг. и исходящей из положения, что пространство и время - абсолютно неотделимые понятия, ввел новый формализм, в котором математическая форма записи закона гарантирует его инвариантность при лоренцевых преобразованиях.

  Естественно, основное  положение классической механики - пропорциональность силы ускорению - существенным образом изменяется в новой механике. Даже не прибегая к математическим расчетам, можно догадаться о необходимости таких изменений. Действительно, поскольку скорость света принята максимально возможной в природе, никакая сила не может увеличить скорость тела, движущегося со скоростью света, т. е. при этих условиях сила уже не вызывает ускорения. В релятивистской механике тело тем труднее ускорить, чем больше его скорость. А поскольку сопротивление изменению скорости тела называют массой тела, отсюда вытекает, что масса тела возрастает со скоростью. В то время как классическая механика рассматривает массу тела как постоянную величину, в теории относительности она считается переменной и зависящей от скорости. Та масса, которая рассматривается в классической механике, - это релятивистская масса покоя. Более того, релятивистская механика доказывает, что масса зависит не только от скорости, но и от направления силы. Поэтому говорят о продольной массе и поперечной массе. В связи с этим интересно отметить, что еще в 1890 г. Поль Пенлеве (1863-1932) с помощью чисто математического обобщения классической динамики точки ввел понятия продольной и поперечной масс.

Изменение массы можно  экспериментально обнаружить лишь при  больших скоростях, близких к  скорости света. Идеальными объектами  для этой экспериментальной проверки являются электроны. И действительно, в 1902 г. Кауфман установил зависимость  поперечной массы β-частиц от их скорости, подтвердив тем самым это следствие  теории относительности еще до того. как она была сформулирована. В 1906 г. он подтвердил свои результаты последующими измерениями. В 1914 г. Глитчер, а годом позже Зоммерфельд, анализируя данные некоторых опытов Пашена о тонкой структуре спектральных линий гелия, показали, что массы электронов, обращающихся вокруг ядра, удовлетворяют релятивистским соотношениям для массы. В 1935 г. Наккен в опытах с катодными лучами при напряжении между электродами, достигавшем 200 000 в, подтвердил релятивистскую формулу зависимости массы от скорости с точностью до 1%. Другие экспериментальные подтверждения были получены в исследованиях следов электронов в камере Вильсона и по данным о космических лучах. 

В том же 1905 г. Эйнштейн вывел  чисто математическим путем из зависимости массы от скорости исключительно важное следствие. Предположим, что в коробке покоится несколько шариков. Если к коробке приложить внешнюю силу, то она приобретет определенное ускорение, зависящее от массы покоя шариков. Но пусть эти шарики движутся по всем направлениям, со скоростями, близкими к скорости света. Вызовет ли при этом внешняя сила такой же эффект? Конечно, нет, поскольку скорость шариков увеличивает их массу. Следовательно, кинетическая энергия шариков оказывает, подобно массе, сопротивление движению. Таким образом, в теории относительности нет существенного различия между массой и энергией: энергия обладает массой, а масса представляет собой энергию.

Эквивалентность массы и  энергии представлялась самым парадоксальным утверждением теории относительности. Но мы уже убедились выше, что точка зрения теории относительности является весьма плодотворной. Все человечество убедилось в этом на трагическом примере - взрыве бомбы в Хиросиме. [4,с.75]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Общая теория  относительности

 Принцип эквивалентности  послужил отправной точкой для  переработки теории относительности в новую теорию, которую Эйнштейн назвал общей теорией относительности (в отличие от нее прежняя теория была названа специальной).

Новая теория была изложена Эйнштейном после подготовительных работ 1914—1915 гг. в фундаментальном  труде «Die Grundlage der allgemeinen Relativitatstheorie» («Основы общей теории относительности»). Вторая часть этой работы посвящена  описанию математического аппарата, необходимого для развития этой теории. К счастью, такой аппарат уже  существовал — это было так называемое «абсолютное дифференциальное исчисление», приведенное в систему еще в 1899 г. Грегорио Риччи-Курбастро (1853—1925) и Туллио Леви-Чивита (1873-1941).

Основной постулат общей  теории относительности заключается  в том, что не существует привилегированных  систем координат. «Законы физики,—  говорит Эйнштейн,— должны быть таковы по природе, что они должны быть применимы к произвольно  движущимся системам отсчета».

 Законы физических  явлений сохраняют свою форму  для произвольного наблюдателя, так что уравнения физики должны оставаться инвариантными не только при лоренцевых, но и при произвольных преобразованиях.

Выведенные отсюда Эйнштейном математические следствия не менее  важны, чем следствия из специальной  теории относительности. Они ведут  к дальнейшему обобщению понятий  пространства и времени. Если кинематическое изменение видоизменяет или уничтожает гравитацию в какой-либо системе отсчета, то ясно, что между гравитацией и кинематикой существует тесная связь. А поскольку кинематика — это геометрия, к которой добавлена еще одна, четвертая переменная — время, то Эйнштейн интерпретирует явления гравитации как геометрию пространства-времени. Отсюда вытекает что, согласно общей теории относительности, наш мир не является евклидовым; его геометрические свойства определяются распределением масс и их скоростями.

С помощью знаменитого  мысленного эксперимента, о котором  было много споров, Эйнштейн со всей очевидностью показал тесную связь  между кинематикой и геометрией. Предположим, что наблюдатель находится  на круглой платформе, быстро вращающейся  по отношению к внешнему наблюдателю. Внешний наблюдатель вычерчивает в своей, галилеевой системе отсчета окружность, равную внешней окружности платформы, измеряет ее длину и ее диаметр, составляет их отношение и находит число π евклидовой геометрии. Наблюдатель, находящийся на платформе, выполняет те же измерения с помощью той же линейки, которой пользовался внешний наблюдатель. Линейка, помещенная вдоль радиуса платформы, хотя и находится в движении относительно внешнего наблюдателя, не претерпевает изменения длины, потому что платформа движется перпендикулярно радиусу. Но когда наблюдатель начинает измерять периметр платформы, то линейка по отношению к внешнему наблюдателю представляется укороченной, потому что в этом положении она движется в направлении своей длины (лоренцево сокращение), платформа кажется более длинной и для числа π получается значение, большее, чем в предыдущем случае.

Аналогичное явление имеет  место и со временем. Если взять  двое идентичных часов и одни поместить  в центре платформы, а другие —  на периферии, то внешний наблюдатель увидит, что часы, находящиеся на периферии и движущиеся по отношению к другим часам, идут медленнее, чем часы, находящиеся в центре, и придет к заключению, что часы на периферии действительно отстают.

Но, согласно принципу эквивалентности, явления движения аналогичны явлениям гравитации. Следовательно, в гравитационном поле евклидова геометрия уже не справедлива, а часы отстают. Пример с платформой имеет прежде всего дидактическое значение; математически гравитационное поле отличается от центробежного поля вращающейся платформы. В гравитационном поле, создаваемом центральной массой, сокращаются радиальные размеры и остаются неизменными поперечные.[ 4,с.79]

Общая теория относительности - общая физическая теория пространства, времени и тяготения - явилась новым этапом в развитии теории тяготения. Эйнштейн характеризовал отличие новой теории тяготения от старой следующим образом:

1. Гравитационные уравнения  общей теории относительности  могут быть применены к любой  системе координат. Выбрать какую-либо  особую систему координат в  специальном случае - дело лишь  удобства.Теоретически допустимы  все системы координат. 

2. Ньютонов закон тяготения  связывает движение тела здесь  и теперь с действием другого  тела в то же самое время  на далеком расстоянии. Этот закон  стал образцом для всего механического  мировоззрения. 

3. Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована  массами и их скоростями. Гравитационные уравнения общей теории относительности стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира."[6,с.196]

 

 

 

 

 

 

 

 

7.Заключение.

Итак, что же представляет собой современная физика и какова тенденция ее развития?  Физика, в представлении В.Вайскопфа, - это дерево, в нижней части ствола которого находятся классическая физика, электродинамика и физика теплоты вместе с широко раскинувшимися ветвями. Выше по стволу находятся атомная физика с ее ветвями, такими как химия, электроника и оптика. Еще выше расположена ядерная физика с ее молодыми ветвями, символизирующими науку о радиоактивности, астрофизические приложения. На вершине, где пока нет ветвей, помещаются современные физика элементарных частиц и космопология. Шестьдесят лет назад верхушкой без ветвей была атомная физика.

 Следующий вопрос: какова  роль физики в современном  мире? По этому поводу В.Гейзенберг  выразился следующим образом: "... современная физика представляет  собой только одну, хотя и весьма  характерную сторону общего исторического  процесса, имеющего тенденцию к  объединению и расширению нашего  современного мира... она, по-видимому, помогает направить развитие по мирным рельсам".