Geum.ru

Теория относительности и альберт эйнштейн

Вид материалаБиография

Содержание


Итог опыта Майкельсона
Поиски выхода
Баллистическая теория Вальтера Ритца
Проверка теории относительности
Логическая критика теорий Эйнштейна и Пуанкаре
Подобный материал:
1   2   3   4

Слайд 52.

Итог опыта Майкельсона


Однако, вопреки ожиданиям, он не выявил эфирного ветра.

Быть может, была слишком большой погрешность?


Слайд 53.

Погрешности опытов по определению скорости эфирного ветра


В опыте, который поставил Майкельсон в 1881 году, погрешность составляла 18 километров в секунду.

Это не такая уж большая погрешность, поскольку ожидаемая скорость движения Земли относительно эфира 30 километров в секунду.

Отрицательный результат мог означать, что скорость эфирного ветра была меньше этого значения погрешности.

В 1887 году опыт был повторён с участием Морли уже с меньшей погрешностью, а именно: 7 километров в секунду. Результат тот же.

Опыты не прекращались.

И к 1925 году физиком Иллингвортом был поставлен опыт с погрешностью уже 1 километр в секунду.

Эфирный ветер не обнаруживался.

Не обнаружен он и до сих пор.


Поиски выхода


Отрицательный результат опыта Майкельсона настоятельно требовал объяснения.


Слайд 54.

Предложение Хендрика Лоренца (1883 г.) для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона


Поэтому уже через два года в 1883 году Хендрик Лоренц, который был и остался сторонником существования эфира, выдвинул предположение о сокращении длины в направлении движения. Т.е. более чем за 20 лет до теории относительности Эйнштейна.


Слайд 55.

Предложение Хендрика Лоренца: при движении происходит укорочение продольного плеча, обеспечивающее одновременность отражения


Если допустить, что происходит сокращение длины в направлении движения через эфир, опыт Майкельсона должен всегда давать отрицательный результат.


Слайд 56.

Преобразования Лоренца (1895 г.), обеспечивающие сокращение продольных размеров тел при движении


Ещё через два года в 1895 году Лоренц публикует математический аппарат, касающийся сокращения длины.

Помимо сокращения длины Лоренц был вынужден ввести и ещё один искусственный математический элемент: «местное время».

То есть время в неподвижной и движущейся системах координат течёт с разной скоростью.


Слайд 57.

Хендрик Лоренц нидерландский физик. Анри Пуанкаре французский математик.


Основным оппонентом Лоренца был французский математик Анри Пуанкаре.


Слайд 58.

Взгляды Пуанкаре. (1)


Пуанкаре считал ненужным эфир.

Если считать, что мирового эфира нет, то нет и связанной с ним мировой системы отсчёта.

Отсутствие абсолютной системы отсчёта означает, что никакая система отсчёта не имеет преимуществ. Т.е. все инерциальные системы отсчёта равноправны.


Слайд 59.

Взгляды Пуанкаре. (2)


Пуанкаре искал математические преобразования, которые обеспечивали бы одинаковую математическую запись физических законов во всех инерциальных системах отсчёта.

Например, второй закон Ньютона («Эф равняется эм умножить на а»)

F = m  a

одинаково выглядит во всех инерциальных системах отсчёта. Т.к. ускорение от скорости системы отсчёта не зависит.


Слайд 60.

Взгляды Пуанкаре. (3)


Пуанкаре хотел, чтобы не только уравнения механики, но и все уравнения физики, в том числе и уравнения Максвелла, выглядели одинаково в различных системах отсчёта.

Т.е. видно, что Пуанкаре как математик развивал физику с точки зрения математики. Его путеводной звездой было не стремление к постижению физической сути явлений, а красота и согласованность математической формы.


В 1902 году Пуанкаре выдвинул принцип относительности, который у Эйнштейна годом позже стал первым постулатом.


Слайд 61.

Принцип относительности Пуанкаре. (Книга «Наука и гипотеза», 1902 г.)


В соответствии с принципом относительности Пуанкаре, все физические явления должны быть одинаковыми для наблюдателей, находящихся в разных инерциальных системах отсчёта, т.к. нет никакого способа узнать, кто из них находится в движении, а кто нет.


Слайд 62.

Лекция Пуанкаре в США о состоянии науки (1904 г.). (1)


На лекции в США о состоянии науки и будущем математической физики Пуанкаре рассказал об огромной роли ряда физических законов. Это:

– закон сохранения энергии,

– второе начало термодинамики,

– равенство действия противодействию,

– закон сохранения массы и

– принцип наименьшего действия.


Слайд 63.

Лекция Пуанкаре в США о состоянии науки (1904 г.). (2)


Но теперь к ним Пуанкаре предлагал добавить принцип относительности или принцип релятивизма.


Слайд 64.

Признание заслуг Хендрика Лоренца


Пуанкаре увидел в преобразованиях, предложенных Лоренцем, то, что оправдывало его принцип относительности. Пуанкаре из уважения к коллеге дал им имя преобразований Лоренца.

Сам Лоренц по-прежнему относился к своим преобразованиям как к искусственным, т.к. оставался сторонником эфира.


Слайд 65.

Доклад Пуанкаре по теории относительности (Опубл. 5 июня 1905 г. «Заметки Академии наук»)


В июне 1905 года в «Заметках Академии наук» Пуанкаре опубликовал новую более короткую форму преобразований Лоренца. Доказал, что уравнения Максвелла, преобразованные по формулам Лоренца при переходе к другой системе отсчёта, не изменяют своего вида. Т.е. инвариантны.

Это удовлетворяло принципу относительности, выдвинутому Пуанкаре.

Из инвариантности уравнений электромагнетизма Максвелла вытекало постоянство скорости света, т.к. свет это тоже электромагнитная волна.


Слайд 66.

Работы Лоренца и Пуанкаре по теории относительности


Так выглядит перечень основных работ Хендрика Лоренца и Анри Пуанкаре в которых были развиты основы теории относительности.

Работы охватывают во времени отрезок около 10 лет.

Видно, что теория относительности создавалась в ходе длительного труда, как попытка объяснения опытных данных.

Лоренц своими преобразованиями сделал первый шаг.

Пуанкаре выдвинул принцип относительности и подвёл под преобразования Лоренца теоретическую и философскую базу. А также придал преобразованиям Лоренца более совершенную форму.


Слайд 67.

Первая работа Эйнштейна по теории относительности


На заключительном этапе, когда основы теории относительности уже были заложены, Эйнштейн опубликовал статью, содержащую теорию относительности, без каких-либо ссылок на предшественников.


Слайд 68.

Сравнение строения теорий относительности Пуанкаре (5 мая 1905 г.) и Эйнштейна (30 июня 1905 г.)


В теории относительности Эйнштейна первый постулат совпадал с принципом относительности Пуанкаре.

Вторым постулатом было постоянство скорости света.

Т.е. то, что у Пуанкаре выводилось, у Эйнштейна стало постулатом, т.е. положением, которое следует принять на веру.

На основе мысленных экспериментов с движущимися системами отсчёта и вспышками света у Эйнштейна математически строго выводились те преобразования, которые до него были предложены Лоренцем.

Выводами были

– отрицание существования эфира,

– отрицание одновременности событий и равенства длин в различных системах координат.

Предложенное Эйнштейном выглядело как соединение известных элементов, изложенное в другом порядке.

Ссылок на предшественников у Эйнштейна не было.

Эйнштейн отрицал знакомство в то время с работами Пуанкаре.

По словам Эйнштейна, он знал только работу Лоренца десятилетней давности. Но свои выводы он сделал не из электродинамики, как Лоренц, а из общих соображений.


Такова история появления теории относительности.


Является ли в действительности исследования Эйнштейна независимыми, не известно. Можно Эйнштейну верить, можно не верить. Но первенство и огромные заслуги Пуанкаре в создании релятивизма очевидны.

То, что имя Пуанкаре в связи с теорией относительности почти не вспоминают, частично связано с тем, что Пуанкаре был французским математиком, и его имя не было авторитетным в кругах немецких физиков. Не за горами была Первая Мировая война, поставившей французов и немцев по разные стороны линии фронта.

Хендрик Лоренц не вмешивался в дальнейшее приписывание заслуг коллективного труда одному Эйнштейну, т.к. не соглашался с отрицанием эфира в теории относительности.

В 1907 году немецкий математик Герман Минковский дал геометрическое представление теории относительности Эйнштейна своей публикацией, где он не упомянул о Пуанкаре.

Пуанкаре в своём выступлении в Лондонском университете в 1911 году по-прежнему связывал переворот в физике только с именем Лоренца, совсем не упоминая Эйнштейна.


Баллистическая теория Вальтера Ритца


Парадоксы с длиной, временем и массой были причиной того, что объяснение опыта Майкельсона, предложенное Пуанкаре и Эйнштейном на основе принципа относительности, не разделялось многими физиками.

И хотя с математической точки зрения теория относительности выглядела очень гладко, учёные того времени настойчиво искали другие объяснения опыта Майкельсона. Такие, которые не приводили бы к парадоксам с длиной, временем и массой.


Слайд 69.

Вальтер Ритц (1878-1909)


В 1908 году тридцатилетний швейцарский физик и математик Вальтер Ритц опубликовал теорию электродинамики, в которой отвергался постулат постоянства скорости света.

Он предположил, что скорость света, испускаемого движущимся источником, образуется подобно скорости ядра, выстреливаемого из перемещающегося орудия.

Поэтому теория Ритца была названа баллистической.

Т.е. скорость света по Ритцу складывалась из скорости источника и скорости света при неподвижном источнике, как в корпускулярной теории света Ньютона.


Слайд 70.

Объяснение опыта Майкельсона по Вальтеру Ритцу


Слайд 71.

Упрощённая схема установки Майкельсона по измерению разницы в задержках света вдоль и поперёк движения по орбите


Схема установки та же самая.


Слайд 72.

Кадр 0


Слайд 73.

Кадр 1


Слайд 74.

Кадр 2


Слайд 75.

Кадр 3


Слайд 76.

Кадр 4


Слайд 77.

Кадр 5


Слайд 78.

Кадр 6


Слайд 79.

Кадр 7


Слайд 80.

Кадр 8


Как видно, оба луча одновременно достигают противоположных зеркал.


Слайд 81.

Кадр 9


Слайд 82.

Кадр 10


Слайд 83.

Кадр 11


Слайд 84.

Кадр 12


Слайд 85.

Кадр 13


Слайд 86.

Кадр 14


Слайд 87.

Кадр 15


Слайд 88.

Кадр 16 (последний)


И, наконец, отражённые лучи возвращаются к началу отсчёта.

Также одновременно.

Это позволяло легко объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона.


Слайд 89.

Достоинства баллистической теории Ритца


Теория Ритца продолжала классическую традицию Ньютона и не нуждалась в эфире.

Ей не были свойственны сокращения длин, замедление времени и увеличение масс.

С появлением теории Вальтера Ритца физика получила ещё одно объяснение опыта Майкельсона.

К сожалению, год спустя этот замечательный учёный умер, и его имя оказалось практически забыто.


Слайд 90.

Раскол в представлениях физиков о природе света к 1908 году


Теперь, в 1908 году, можно было говорить о наличии трёх взглядов на свет и трёх группах, на которые раскололись физики в объяснении опыта Майкельсона.

Одна группа – релятивисты Пуанкаре и Эйнштейн.

Вторая – приверженцы мирового эфира. Это учёные, начиная с Гюйгенса и кончая Лоренцем.

И третья – сторонники корпускулярной теории. Это Ньютон и Ритц.


Баллистическая теория Ритца, несмотря на её несомненные преимущества, вскоре была отвергнута.


Слайд 91.

В 1913 году баллистическая теория Ритца отвергается астрономом де Ситтером


В 1913 году астроном де Ситтер привёл рассуждения о несоответствии баллистической теории наблюдениям за двойными звёздами.

Из-за сложения скоростей свет от каждой из звёзд в паре будет идти быстрее, когда эта звезда приближается, и медленнее, когда она – удаляется.

Вследствие этого должна возникнуть кажущаяся неравномерность вращения.

Наблюдения де Ситтера за двойными звёздами не выявили видимой неравномерности вращения.

Следовательно, сделал вывод де Ситтер, теория Ритца не верна.

Это объяснение вошло во все учебники.

В настоящее время доказано, что точность метода, предложенного де Ситтером, не достаточна ни для того, чтобы отвергнуть теорию Ритца, ни для того, чтобы её доказать.

Предложенный де Ситтером способ проверки влияния скорости движения звезды по орбите становится заметным на столь больших расстояниях, что видимая неравномерность вращения уже не видна в имеющиеся телескопы. Т.е. двойные звёзды выглядят как одна звезда, и не могут наблюдаться по отдельности.

Это означает, что теория Ритца была отброшена безосновательно.

В 2008 году исполняется столетие опубликования теории Вальтера Ритца.


ПРОВЕРКА ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ


Слайд 92.

ПРОВЕРКА ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ


Философское отступление


Истинность любой физической теории должна быть доказана на опыте.

Но в жизни не всегда удается поставить доказывающие опыты. Чаще это подтверждающие или непротиворечащие опыты.

Случается, что один и тот же опыт может не противоречить сразу нескольким противоположным теориям. Но это не значит, что он их доказывает.

Опыт Майкельсона подтверждает как теорию относительности Пуанкаре и Эйнштейна, так и теорию Ритца.


Слайд 93.

«Бритва Оккама» – правило для теорий, которые пока не подтверждены на опыте


В отсутствии опыта истинность теории может подтверждаться лишь частично: на основе логичности построения.

Для случая, когда недостаточно опытных данных, средневековый английский философ и логик Уильям Оккам предложил правило, которое теперь носит название «бритва Оккама». Суть его в следующем:

– не применять несколько объяснений, когда достаточно лишь одного;

– считать истинным то, которое проще;

– отбрасывать то, что не сводимо к интуитивному или опытному знанию.


Слайд 94.

Условия, необходимые для того, чтобы теория могла считаться научной


По современным представлениям физическая теория имеет право именоваться научной при обязательном соблюдении трёх условий.

1. Теория должна опираться на положения, обоснованность которых проверяется опытным путём,

2. Получение результатов должно производиться при строгом соблюдением законов логики и математики,

3. Выводы, получающиеся в теории, не должны противоречить опытным данным.


Если говорить о логичности построения, то, например, странным является присутствие в безэфирных теориях Пуанкаре и Эйнштейна преобразований Лоренца, которые сам Лоренц вывел в предположении существования эфира. Это может быть истолковано как раз как подтверждение существования эфира.


Логическая критика теорий Эйнштейна и Пуанкаре


Слайд 95.

Логическая критика теорий Эйнштейна и Пуанкаре


Парадоксальность выводов, получающихся в специальной теории относительности, указывает либо на наличие неверных посылок, либо на нарушение логики вывода.

Одна из посылок – постоянство скорости света – подробнее будет обсуждена несколько позже.

А сейчас остановимся на логике вывода и рассмотрим чуть подробнее рассуждения Эйнштейна, которые он использует при своём изложении теории относительности.


Слайд 96.

Короткая вспышка при совмещении начал систем отсчёта


Основным приёмом у Эйнштейна является мысленный эксперимент.

Однако всем понятно, что эксперимент – это проверка человеческих представлений путём их непосредственного соприкосновения с независящей от человека природой.

Это означает, что мысленный эксперимент есть бессмыслица.

Однако вернёмся к рассуждениям Эйнштейна.

Две системы отсчёта. Одна XYZ условно покоится. Вторая X’Y’Z’ прямолинейно и равномерно движется относительно первой.

Вторая движется так, что в определённый момент времени эти системы совмещаются своими началами координат и осями.

В момент совмещения в начале отсчёта происходит короткая вспышка.

И свет начинает удаляться от места вспышки с равной скоростью во всех направлениях, образуя сферу. Это простейший случай электромагнетизма Максвелла.


Слайд 97.

Распространение света с точки зрения различных наблюдателей


Далее Эйнштейн предлагает следующую логику.

В каждой системе отсчёта имеется наблюдатель.

Согласно принципу относительности все системы равноправны.

Поэтому каждый из наблюдателей вправе считать, что вспышка произошла именно в его системе.

Спустя какое-то время в каждой системе будет иметь место сфера фронта волны с центром в начале отсчёта.

Но к тому времени начала координат рассовместятся. Следовательно, получатся две различные сферы.

То есть одна вспышка порождает две сферы.


Слайд 98.

Две сферы от одной вспышки… ?...


Это грубо противоречит здравому смыслу.

В том, что мысленный эксперимент Эйнштейна излагается именно так можно убедиться, обратившись к институтскому учебнику по физике.


Слайд 99.

Изложение мысленного эксперимента Эйнштейна в учебнике по физике


Но математическими выкладками Эйнштейна, странным образом, всё улаживается. Хотя суть противоречия от этого никуда не девается.

Приведённая страница взята из весьма солидного учебника по физике.


Слайд 100.

Использованный источник: Г.А.Зисман и О.М.Тодес. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ


Хорошо видны название и авторы: Гирш Абрамович Зисман и Оскар Мовшевич Тодес.


Подвох рассуждений Эйнштейна заключается в том, что он в своём мысленном эксперименте использует короткую вспышку.

Её кратковременность не позволяет сказать, движется её источник или покоится. Из-за кратковременности каждый из двух наблюдателей может утверждать, что источник вспышки связан с его системой.

А если взять более длительное излучение, то станет возможным установить, движется его источник или нет. И в этом случае можно будет говорить только об одной сфере волны.

В одной системе координат центр сферы будет покоиться, а в другой – двигаться. Математические уравнения, описывающие эту сферу в обоих случаях, будут отличаться.

Но так и должно быть с точки зрения здравого смысла.

А рассуждения Эйнштейна о том, что каждый наблюдатель вправе считать то-то и то-то, больше напоминают рассуждения юриста о конституционных правах, нежели физика о физических явлениях.


И раньше, и в настоящее время многие физики и математики указывали на то, что и Пуанкаре ошибочно толковал принцип относительности, который сам же выдвинул.


Слайд 101.

Толкование Пуанкаре принципа относительности


Согласно толкованию Пуанкаре математическая запись всех законов физики, в том числе и уравнений Максвелла, должна выглядеть одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Отсюда и возникает требование постоянства скорости света.

По мнению же критиков Пуанкаре, полное совпадение математического описания одного и того же конкретного явления в системах отсчёта, отличающихся скоростью движения, не требуется. При этом в математическую запись будет входить скорость движения систем относительно друг друга. А к скорости распространения света будет добавляться скорость источника излучения.


Слайд 102.

Результаты применения принципа относительности


К чему стремился Пуанкаре?

К удовлетворению принципа относительности через одинаковость математического описания.

А что получил?

Различие физической картины явлений для различных систем отсчёта: различие длин и времён. Эйнштейн к этому добавил также различие масс.

Это означает, что системы отсчёта становятся различными.

Различными, а, следовательно, неравноправными.

А это не удовлетворяет принципу относительности.

Получается внутреннее противоречие.

Как из него выйти?