Контрольная: 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
     
Введение
Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как реальнной среде,
являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось
становление континуальной, полевой финзики. Одновременно с возникновением
волновой теории света форнмировалась совершенно новая парадигма физического
исследованния Ч полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадленжит
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 оставанлись безразличными. Первым обратил на них
серьезное внимание Дж.К.Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и
понстроил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике поннятие
лэфир и сформулированное в теории электрических и магнитнных явлений понятие
лэлектромагнитное поле сначала сближаютнся, 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 электринческих и магнитных явлений, и предсказывать новые
явления. Со временем становилось все более очевидным, что этой абстракции
соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие поля занвоевало
центральное место в физике и сохранилось в качестве одного из основных
физических понятий.
     
1. Теория электромагнитного поля Максвелла
Эта теория представлена в сжатой и простой (изящной) форме в виде шести
уравнений в частнных производных. Система взглядов, которая легла в основу
уравнений Максвелла, получила название теории электромагнитного поля
Макснвелла.
Хотя эта система уравнений имеет простой вид, но чем больше сам Максвелл и
его последователи работали над нинми, тем более глубокий смысл открывался им.
Генрих Герц, который экспериментально получил электромагнитные изнлучения,
предсказанные теорией Максвелла, говорил о неиснчерпаемости уравнений
Максвелла. Герц отмечал: лНельзя изучать эту удивительную теорию, не
испытывая по временнам такого чувства, будто математические формулы живут
собственной жизнью, обладают собственным разумом, - канжется, 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 матемантики. Для него исходными были физические идеи и
сонображения, которые он облекал самостоятельно в мантематическую 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 обосннование. [2]
Среди постоянных величии, входящих в уравнение Макснвелла, была константа с.
Применив уравнение к конкретному случаю, Максвелл нашел, что она точно
совпадает со сконростью света. Процесс распространения поля будет
продолнжаться 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,
распространянется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 300
000 км/с. Из всех этих совпадений видно, что свет именет электромагнитную
природу, что световой поток - это понток электромагнитных волн. В световых
волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного понлей,
а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии
напряжения.
Открытие Максвелла сравнимо по научной значимонсти с открытием закона
всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению понятия
всеобщенго закона тяготения, труды Максвелла - к введению понятия
электромагнитного поля и электромагнитнной природы света. Работы Максвелла
привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнитнного поля,
которое не совместимо с материальными точками и вещественной массой
классической физики. Поле - это новая фундаментальная физическая реальнность.
Поэтому представления о поле должны выстунпать в качестве первичных, исходных
понятий. Как отменчал А. Эйнштейн, электромагнитное поле не нуждается даже в
эфире, поскольку поле само является фундаменнтальной реальностью.
В работах по принципиальным вопросам физики А. Эйннштейн ввел понятие
лпрограмма Максвелла, которую толнковал как лполевую программу. Сам
Эйнштейн стоял на понзициях 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
дальнодейстнвия она выдвинула и обосновала прямо противоположный принцип
близкодействия, согласно которому силонвое действие передается от точки к
точке. Скорость свента 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 пронтиворечия и слабые стороны самой классической финзики, то
станет понятно, что в конце XIX века стренмительно нарастал кризис
механистической научной картины мира.
     
2.  Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна
Теорию Максвелла ряд авторов интерпретируют как нонвую - электромагнитную
научную картину мира. С этим нельзя согласиться: перенход от одной НКМ к
другой может совершиться лишь при условии, если развитие естествознания
приведет к качестнвенно новой трактовке не одного, а целой группы базисных
понятий. Тогда как теория Максвелла в явном виде выдвиннула лишь один новый
принцип - принцип близкодейстнвия. В остальном она просто вышла за рамки МКМ,
поскольнку 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 продолженинем 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, позвонливших дать новое
истолкование некоторым базисным  понятиям.
Первое и, по-видимому, самое мощное влияние на перестройку НКМ оказала теория
относительности выдающегося физика-теоретика XX столетия Альбернта Эйнштейна
(1879-1955).
Поскольку в теории относительности Эйнштейна большую роль играет принцип
относительности движения в формулинровке Ньютона, то полезно еще раз привести
ее. Впервые этот принцип ввел Галилей, о чем говорилось выше. С учентом идей
Декарта Ньютон уточнил и расширил формулировнку 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 приннцип относительности движения.
Принцип относительности движения означает, что во всех инерциальных системах
отсчета механические процессы иннвариантны. Иначе говоря, два наблюдателя в
одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что в их системах
финзические 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 пренобразований 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 вренмени,
включая Эйнштейна, стремились теоретически и лонгически 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 относительнонсти движения классической
физики, поскольку ее уравннения оказались неинвариантными относительно
пренобразований Галилея. Это был существенный изъян, поскольку вся практика
подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая теория не опровергает
его.
2.  Полевая картина физической реальности Макснвелла оказалась теоретически
неполной и логически противоречивой, так как трактовка электрического понля и
электрически заряженных частиц (носителей поля) не была увязана
концептуально. Эйнштейн отмечал: теонрия 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 точнки, расположенные в пространстве дискретно, что
пронтиворечит 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 лили.
Объектом теории относительности выступают лфизические сонбытия как целостные
объекты, в которых объединены поннятия материи, движения, пространства,
времени. Физической реальностью, отмечал Эйнштейн, обладают не точки
простнранства и не моменты времени, а только сами события, опренделенные
четырьмя числами х, у, z, t. лЗаконы природы принмут наиболее
удовлетворительный с точки зрения логики вид, будучи выражены как законы в
четырехмерном пространстнвенно-временном континууме [4].
Остановимся теперь на рассмотрении первого нендостатка. Анализ показал, что
уравнения Максвелла неинвариантны относительно галилеевых преобразонваний.
Это значит, что при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой
форма уравнений оказывалась разной. Это равносильно тому, что в разнных
системах отсчета один и тот же физический процесс осуществлялся по разным
законам, что противоречит науке. Как же уберечь теорию Максвелла от этого
нендостатка?
В 1890 году Г. Герц искусственно подобрал систему уравннений, инвариантных
относительно галилеевых преобразонваний, которые в частном случае покоящегося
тела обращанются в уравнения Максвелла. Однако уравнения Герца пронтиворечили
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: лЕснли 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 преобразонваний видоизменить (проще говоря, подогнать)
так, чтобы относительно этих правил уравнения Максвелла оказались
инвариантными.
Лоренцевы преобразования - это новые (отличные от ганлилеевых) 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 слендующие 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 стержння 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 стержння, 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 преннебречь. 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 преннебречь и оно
будет уменьшаться. Соответственно этому значение величины  l будет
уменьшаться, а значение величинны t - возрастать. В таком случае с ростом
скорости движенния (v) различия между преобразованиями Лоренца и
пренобразованиями Галилея будут нарастать.
Итак, Лоренц искусственно получил новые правила перехода от одной инсрпиалыюй
системы к другой. При этом уравнения Максвелла оказываются инвариантнными в
любых инерциальных системах отсчета. Однанко неизвестной остается реальность
самих преобразонваний 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 преобразонваний. Для этого он предпринял попытку дедукнтивного
построения теории, которая бы наполнила преобразования Лоренца физическим
смыслом. Иначе говоря, он задался целью углубить понинмание принципа
относительности путем его разнвертывания в теорию относительности.
     
3. Специальная теория относительности А.Эйнштейна
В качестве постулатов дедуктивной теории он принял два принципа. Прежде всего
- принцип относительности класнсической 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 теонрию Максвелла. В
качестве второго постулата он взял приннцип постоянства скорости света в
пустоте. Поскольку скорость света в качестве константы включена в уравнения
Максвелнла, 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 отнонсительности являются два
принципа.
     1.  Принцип относительности движения, которому Эйнштейн придал всеобщий
характер, распространив его с механических на магнитные, электрические и
свентовые процессы.
     2. Принцип постоянства скорости света в пустоте, сонставляющей   300 000
км/с. Эта скорость является максинмальной возможной скоростью распространения
мантериальных взаимодействий.
Из этих двух физических принципов Эйнштейн заново вывел математические правила
преобнразования Лоренца. Но теперь математическая форма соотношений l и 
t наполнена физичеснким смыслом, поскольку их Эйнштейн вывел из физических
посылок. Из соотношений l и t можно видеть, что, когда скорость
движения тенла становится сравнимой со скоростью света, линнейный размер
тела физически сокращается в нанправлении его движения. Со временем
происходят противоположные изменения: его течение замеднляется, 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, пренвышающие
скорость света в пустоте, не имеют физического смысла. Отсюда следует, что
скорость распространения мантериальных взаимодействий в природе не может
превышать скорость света в пустоте.
Таким образом, дедуктивные следствия из физичеснких постулатов привели
Эйнштейна к построению разнвернутой содержательной теории, которую затем он
нанзовет частной, или специальной. Специальная теория относительности (СТО)
обобщает классическую физинку и электродинамику Максвелла и выступает как
релянтивистская 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 зависинмость
пространства и времени от скорости движения матенриальных 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 сокранщается в направлении
движения, а ритмика течения времени растягивается. Поэтому рассмотрение
физических событий должно относиться к единому четырехмерному
пространстнвенно-временному континууму: х, у, z, t.
Свою критику классической механики Эйнштейн нанчал с пересмотра лабсолютного
времени, понимаемого как одновременность всех событий в мире. В
классинческой физике одновременности двух событий в точках пространства А и В
обосновывалась переносом часов из одной точки в другую. Несостоятельность
этого аргунмента вытекает из факта конечной скорости распростнранения
материальных взаимодействий. [3]
Хотя СТО базируется на рассмотрении инерциальных систем отсчета, она все же
позволяет установить важную зависимость для ускоренного движения. В
ренлятивистской физике считается, что чем выше сконрость движения тела, тем
труднее увеличить ее. Поснкольку сопротивление изменению скорости тела
нанзывается его массой (инерционной), то отсюда следует, что масса тела
возрастает с ростом скорости его двинжения. В классической механике массу
рассматриванют как постоянную величину - это релятивистская маснса покоя. В
СТО массу считают переменной величиной, зависящей от скорости движения:
     
Это изменение массы можно обнаружить лишь при больших скоростях, например,
при движении электроннов 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.
     
Заключение
Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физинческого познания.
От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание
релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами
наблюдения. Описание физичеснких процессов в СТО существенно связано с
выбором системы коорндинат. Физическая теория описывает не физический процесс
сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средстванми
исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн в статье лК электродинамике
движущихся тел пишет: лСуждения всякой теории касаются соотношений между
твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными
процеснсами[5]. В СТО через осознание того, что нельзя дать описание
физинческого процесса самого по себе, можно только дать его описание по
отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики
непосредственно проявился диалектический характер пронцесса познания,
активность субъекта познания, неотрывное взаимодействие субъекта и объекта
познания.
     
Список литературы
1.     Горелов А.А. Концепции современного естествознания. Ц М.: Центр, 2001.
Ц 208с.
2.     Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции
современного естествознания. Ц СПб.: Союз, 2000. Ц 320с.
3.     Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Ц М.: Гардарики,
2000. Ц 476с.
4.     Пахомов Б.Я. Становление современной научной картины мира. Ц М., 1995.
5.     Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Ц М.: Просвещение, 1987.