История создания специальной теории относительности

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

СТУДЕНТА ГРУППЫ 208 ФИЗИЧЕСКОГО  ФАКУЛЬТЕТА

РОМАШКИ МИХАИЛА

НА ТЕМУ

 

«ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Научный руководитель –  профессор Николаев П. Н.

 

2006

 

Оглавление

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Среди выдающихся физических теорий особое место занимает теория относительности. В наш бурный век почти каждый что-либо слышал о ней и об Эйнштейне, её гениальном создателе. Наверно в мире нет другой столь знаменитой, нашумевшей и широко обсуждаемой теории; нет и столь легендарного учёного, как Эйнштейн. Его имя, возможно по счастливому для него стечению обстоятельств, долгое время было, да и сейчас остаётся, символом гениальности. И на вопрос о том, кто создал теорию относительности, большинство людей без раздумий скажут: Эйнштейн. И первое, что мы отметим в данной работе – это в большой степени действительно так, но не совсем.

Дело в том, что гениальные открытия всё-таки редко рождаются на пустом месте. Обычно учёный опирается на опыт своих предшественников. Если бы не было Архимеда, не было бы первых представлений о механике, не было бы Галилея; без Галилея не было бы Ньютона и т.д. Вы можете сказать: если бы не было Архимеда, был бы кто-то другой. Но суть сейчас не в этом. Суть в том, что в науке существует преемственность. Каждый великий учёный принимает эстафету познания мира у своих предшественников. И Альберт Эйнштейн не был исключением. Более того, многие формулы, вошедшие в специальную теорию относительности, были написаны до её появления. С рождением теории относительности формулы остались прежними, но только приобрели новый смысл, т.е. стали соответствовать другой картине устройства мира. В данной работе мы рассмотрим по порядку, что предшествовало теории относительности, какие открытия и какие учёные. Труды двух предшественников Эйнштейна настолько тесно связаны с этой теорией, что современные историки считают их участниками её создания. Это Лоренц и Пуанкаре. А после того, как была опубликована первая статья Эйнштейна по теории относительности, её идеи подхватил Минковский и внёс свой ценный вклад в развитие этой теории. Таким образом, можно выделить четырёх главных создателей теории относительности: это Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский.

Со времён Эйнштейна было написано множество популярных книг по теории относительности, в которых излагается как сама теория, так и неожиданные следствия, глубоко поражающие неискушённое воображение читателей. Читатели с любопытством узнают о новых представлениях о пространстве и времени, перевернувших, казалось бы, всю классическую физику, что была до этого. Но большинство книг (и даже учебных пособий) имеет существенные недостатки.

Главный из них состоит в том, что почти во всех книгах изложение  теории относительности начинается с постулатов Эйнштейна, из которых затем хотя и логически правильно, но формально-аксиоматически выводится целый ряд удивительных следствий. После этого у читателя возникает вопрос: а откуда взялись эти самые постулаты Эйнштейна? И ещё другой вопрос: что же делать с физикой доэйнштейновских времён? Считать её опровергнутой или приближённо верной при скоростях, малых по сравнению со скоростью света? Или в разных случаях по-разному? В данной работе автор постарается дать ответы на эти вопросы, сравнивая теорию Эйнштейна с трудами его предшественников.

Отметим, что в данной работе речь пойдёт о специальной теории относительности (далее для краткости СТО), в которой рассматривается равномерное прямолинейное поступательное движение тел относительно друг друга. Это теорию можно назвать релятивистской кинематикой (от английского relative - относительно), хотя такое название обычно не встречается. Что касается общей теории относительности (ОТО, или релятивистская динамика) – мы её коснёмся лишь кратко, чтобы работа не была слишком объёмной. Теории, согласующиеся с СТО или ОТО, часто называют релятивистскими. Только название «релятивистская кинематика» встречается редко; оно лишь поясняет разницу между СТО и ОТО как между кинематикой и динамикой.

Перед началом путешествия по истории  физики, точнее, её части, посвящённой  СТО, нам будет неплохо получить некоторый идеологический настрой. Как раз эта часть истории является яркой, насыщенной событиями и полной всяческих перипетий. Эксперименты открывают нам новые закономерности, и после трудных споров между учёными какая-то теория рушится, на смену ей приходит другая, и так не раз и не два. И однажды из этого бурлящего котла мыслей рождается СТО. И многим людям теория относительности (ТО) кажется чем-то «неземным», «малодоступным» или «абстрактным». Как будто бы для понимания ТО требуется какое-то особое мышление, и понять её можно, только отбросив здравый смысл и все привычные представления. Предаваясь таким мыслям, вы, конечно, зайдёте в тупик. Чтобы избежать этого, зададим себе непростой, но краткий вопрос: а с чего начинается физика?

Постараемся здесь ответить на этот вопрос. С чего начинается физика? Можно для начала сказать, что она начинается с желания понять закономерности в окружающем мире. Знание этих закономерностей важно для практических целей. Чтобы построить паровоз, нужно рассчитать размеры каждой его детали. Для этого у нас должны быть какие-то начальные данные: масса, скорость, удельная теплота сгорания топлива (что первичнее) и многое другое. Но мы забежали вперёд: физика началась гораздо раньше паровозов. Важный этап в понимании мира начался тогда, когда люди научились измерять что-либо. Измерять длину, время, массу, выбрав какой-то эталон этих величин. Считается, что физическая величина определена, если указан способ её измерения. Измерять длину, время и массу можно прямым сравнением с эталоном. Но физикам мало знать способ измерения. Пытливый ум стремится дать ответ на вопрос: а что же это такое мы измеряем? Стремится как можно глубже понять, с чем он имеет дело. А также стремится дать определение каждому понятию, в том числе каждой измеряемой величине.

Но вот что получается: не каждому понятию мы можем дать словесное определение. Рассмотрим такую ситуацию. «Что такое химия?» - спрашивает учитель, и прилежная ученица отвечает: «Химия – это наука о веществах, их строении и свойствах, о превращениях одних веществ в другие и явлениях, сопровождающих эти превращения». Тогда учитель спрашивает: «А что такое вещество?» «Вещество – это устойчивое скопление частиц, характеризующееся постоянным составом и свойствами» «А что такое частица?» Учитель, таким образом, может задавать вопросы сколько угодно. На некотором шаге ученица не сможет объяснить значение некоторого слова с помощью более простых слов. Но при этом она имеет какое-то интуитивное представление о том, что означает это слово.

Геометрия также начинается с некоторых неопределяемых понятий, таких как точка, прямая, плоскость. Им нельзя дать словесное толкование, но это не мешает нам пользоваться ими. И в основе физики тоже лежат неопределяемые понятия. К ним относятся неопределяемые физические величины. В классической физике можно выделить пять основных величин: длина, время, масса, сила и заряд, которым нельзя дать словесное определение. Точнее нет, им можно дать словесное определение, но это определение будет всего лишь заменять одно неопределяемое понятие другим.

Можно попытаться дать определение какой-нибудь из названных выше физических величин, например, силе. Исаак Ньютон, создавая свою механику, привёл такое определение. «Приложенная сила есть действие, производимое на тело для изменения его состояния покоя или равномерного движения». Но в этом определении есть слово “действие”, которое нельзя определить с помощью более простых слов. Получается, что Ньютон лишь заменил одно неопределяемое понятие другим. В таком определении нет «логической ценности». Оно всего лишь показывает возможность замены одного слова другим. Отметим, конечно, что Ньютон не зря сформулировал своё определение. Дело в том, что до Ньютона в физике была путаница в понимании термина «сила». Разделяли «мёртвую» и «живую» силу. То, что называли «живой» силой, впоследствии стали называть работой. Ньютоновскому определению больше соответствует «мёртвая» сила. Таким образом, определение Ньютона имело ценность, но не логическую, а историческую, или эволюционную. Оно сыграло роль в эволюции научной терминологии. До Ньютона разные учёные интуитивно понимали под силой разные вещи, от причины равномерного движения до работы. Когда Ньютон дал своё определение, все варианты интуитивного понимания слова «сила» отпали, кроме одного. Определение Ньютона не имело «логической ценности», но поставило учёных на определённые одинаковые для всех «логические рельсы». Правильно ли понимал Ньютон роль своего определения? На этом вопросе не будем останавливаться подробно. Отметим, что, возможно, Ньютон не задумывался об этом. В его время наука ещё не привыкла делить понятия на определяемые (как импульс – произведение массы на скорость) и неопределяемые, как сила. Далее мы ещё покажем, что формула второго закона Ньютона не является определением силы.

Чтобы подойти вплотную к ответу на вопрос о том, с чего начинается, физика, рассмотрим, как Эйнштейн в своей статье «К электродинамике движущихся сред» давал определение времени (до него подобное делал Пуанкаре, но пока остановимся на более знаменитом Эйнштейне). Для начала Эйнштейн указывает способ, как определить время для какой-нибудь одной точки пространства. Для этого нужно поместить в данную точку часы. Тогда понятие «время» можно будет заменить простым понятием «показания стрелок часов». Конструкция часов не важна. Главное – чтобы они работали исправно. Что такое часы – всем понятно; это некоторое материальное тело, каких множество мы привыкли видеть в повседневной жизни. Но в основе работы часов лежит некоторый особенный, интересный процесс. Какой процесс? Первое, что приходит в голову – это периодический процесс. Но что значит периодический? Это значит, например, что колебания маятника повторяются во времени. Т.е. мы можем построить график зависимости координаты маятника от времени, и этот график будет соответствовать периодической функции. Но, не определив, что такое часы, мы ещё не определили, что такое время. Поэтому график зависимости чего-либо от времени (а вместе с тем и понятие периодичности) нельзя использовать для определения времени. Иначе получится логический круг, показанный на рисунке. Одна из стрелок круга зачёркнута, что показывает, что так определить время нельзя. А если отбросить зачёркнутую стрелку и периодический процесс, останется правильный путь определения времени.

Рис.1

Процесс, который лежит в основе работы часов, человек интуитивно выделил из тысяч других процессов. Таким процессом может быть движение маятника, движение Солнца по небосводу и многое другое. Интуиция помогла человеку установить, что этот процесс уникальный, что он занимает особое место в мире. И теперь без такого процесса не обходится наверно ни одна область жизнедеятельности. Ведь даже счастливые иногда наблюдают часы! С интуиции такого рода как раз и начинается физика.

Если быть точнее, не только физика, но и вся наука начинается с  такой интуиции, позволяющей выделять в мире нечто уникальное – неопределяемые понятия, и устанавливать связи между такими понятиями. Физика выделяется из всей науки своим полем деятельности, кругом изучаемых вопросов.

Теперь, когда мы получили представление о том, с чего начинается физика, можно начать экскурсию по её истории. Нам не раз встретятся неопределяемые понятия, но мы не удивимся, т.к. мы к этим понятиям привыкли. И всё же одно понятие для нас будет новым. Оно уже было однажды употреблено во введении. Это логическая ценность. Мы оценим некоторые отдельные взгляды учёных с точки зрения логической ценности. Что это значит? Как уже сказано, логическая ценность – понятие неопределяемое. Понять лучше, что это такое, мы сможем позже, рассмотрев несколько примеров.

Мы начнём экскурсию по истории  с рассмотрения экспериментов, которые  напрямую связаны с теорией относительности. Эксперимент – такая же важная вещь в физике, как интуиция. Интуиция идёт первой, но даже физик с проницательной интуицией редко может с большой уверенностью установить связь между неопределяемыми понятиями без эксперимента. Так, Ньютон не обошёлся без экспериментов, когда открывал свой знаменитый второй закон. Вообще, чтобы интуиции было с чем работать, нужны наблюдения. Далее, чтобы установить некоторые свойства окружающих вещей, простых наблюдений недостаточно. Нужен эксперимент, подтверждающий или опровергающий какое-либо предположение. Мы рассмотрим опыты, подтвердившие далеко не очевидный второй постулат Эйнштейна о независимости скорости света от скорости движения его источника. Вообще, история ТО началась с развития оптики движущихся сред. С оптики мы и начнём.

1. Развитие оптики движущихся сред

Ещё в древности умы людей  занимал вопрос о природе света. Древние представления о свете сейчас кажутся нам фантастическими, и мы не будем на них останавливаться. Однако ещё в древности наметились два основных воззрения на природу света, которые в XVII в. оформляются в основные направления. Согласно одному из них, свет – это некая субстанция, распространяющаяся от светящегося тела. Эту субстанцию многие представляли в виде мелких летящих частиц, и такое представление породило корпускулярную теорию света.

Согласно другому представлению, свет – это некоторое действие или движение, передаваемое от светящегося тела особой средой. Это представление породило волновую теорию света. В этой теории (точнее, множестве теорий, где свет рассматривается как волна) важное место занимает эта самая среда, в которой распространяется волна. Эту среду стали называть мировым эфиром (или просто эфиром). В физике XVII–XIX вв., не только в оптике, широко бытуют представления об эфире. История ТО тоже тесно связана с этим эфиром. Но начнём наш рассказ с открытия аберрации света, которая впервые была объяснена с позиций корпускулярной теории.

1. Открытие аберрации света в астрономии.

Впервые вопрос о влиянии источников и приёмников света на оптические явления возник в связи с открытием аберрации света английским астрономом Брадлеем в 1728 году. Ведя работу по замеру положения звезд, Брадлей заметил, что они не остаются неподвижными на небесной сфере, а описывают в течение ровно одного астрономического года замкнутые траектории по небесной сфере. По крайней мере, так кажется при наблюдении с Земли.

Брадлей очень просто объяснил это явление, придерживаясь тогдашнего всеобщего мнения о справедливости корпускулярной теории света. Представим, что Земля остановилась в какой-то точке своей орбиты (не движется относительно неба неподвижных звёзд, или системы Коперника). Тогда мы будем наблюдать истинное положение звезды (рисунок слева).