Начала. Физические начала натурфилософии - Борис Иванович Мальчиков
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Экспериментальные данные требовали теоретического осмысления, и оно стало рождаться. Квантовая теория Макса Планка 1900 г. Общая теория относительности (ОТО) — теория тяготения, описывающая тяготение, как проявление геометрии пространства-времени (1915) Альберта Эйнштейна. В этой теории постулируется, что гравитация и инерционные силы имеют одну природу. (Что странно? Инерция и кривизна пространства-времени? Замечание автора), Специальная теория относительности (СТО) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. Обобщение СТО для сильных гравитационных полей называется общей теорией относительности. Основным отличием СТО от классической механики является зависимость (наблюдаемых) пространственных и временных характеристик от скорости. Центральное место в СТО занимают преобразования Лоренца, позволяющие преобразовывать пространственно-временные координаты событий при переходе от одной инерционной системы отсчета к другой, когда одна из них движется относительно другой с определенной скорость. СТО создано Эйнштейном в работе в 1905 году «К электродинамике движущихся тел», Математический аппарат преобразований координат и времени между различными системами отсчета был ранее сформулирован французским математиком А. Пуанкаре.
Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в 20-ом веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие свойства электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядом и токами. В электродинамике Максвелла скорость распространения электромагнитной волны в вакууме не зависит от скорости движения как источника этих волн, так и наблюдателя и равна скорости света. Основные понятия: Система отсчета, инерциальная система отсчета. Событием называется любой процесс, который может быть локализован.
Уравнения Максвелла сформулированы на основе накопленных к середине 19-гог века экспериментальных результатов. В 1820 году Эрстед обнаружил, что пропускаемый через провод электрический ток заставляет отклоняться магнитную стрелку компаса. В том же 1820 году Био и Савар экспериментально нашли выражение для порождаемой током магнитной индукции (закон Био-Савара). Ампер обнаружил также взаимодействие двух проводников с протекающими по ним токами. Макс Фарадей пришел к идее о том, что должно существовать обратное влияние магнита на ток. В 1831 году он открыл, что перемещение магнита возле проводника порождает в проводнике электрический ток. Это явление получило название электромагнитной индукции. Фарадей ввел понятие поля сил. Гаус, Риман и другие ученые высказали догадку, что свет имеет электромагнитную природу. В 1873 году Максвелл в Работе «Трактат об электричестве и магнетизме» заменил термин Фарадея «поле сил» на понятие напряженность поля и сделал его основным объектом своей теории. В 1855 г. в статье «О Фарадеевых силовых линиях» он впервые записал в дифференциальной форме систему уравнений электродинамики, но не ввел еще ток смещения. Такая система уравнений описывала все известные к тому времени экспериментальные данные, но не позволял связать между собой заряды и токи. Впервые ток смещения был введен в работе «О физических силовых линиях» (1861–62 гг.) Обобщая закон Ампера Максвелл вводит ток смещения, вероятно для того, чтобы связать токи и заряды уравнением непрерывности, которые уже были известны для других физических величин. В статье «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864 г.) Максвелл впервые сформулировал понятие электромагнитного поля как физической реальности. Оказалось, что не только ток, но и изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле. (Здесь следует остановиться и уточнить отдельные детали. В слове «оказалось», как мне кажется скрывается логическая ошибка. Не изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а движущийся заряд. Конечно движущийся заряд вызывает изменение электрического поля в конкретной точке, но не оно является источником магнитного поля. И пример тому электрофорная машина. Пока заряд копится на электрофорных шарах магнитное поле не возникает, а появляется лишь при разряде, когда между шарами протекает электрический ток. Почему на это не было обращено Максвеллом внимание является загадкой. Однако из этой, как нам кажется ошибки, последовали выводы, породившие фундаментальные выводы.)
В свою очередь в силу закона Фарадея изменяющееся магнитное поле порождает электрическое. (И здесь есть лукавство. Изменяющееся магнитное поле порождает не электрическое поле, а движение зарядов, что не одно и тоже. Так как заряды движутся не электрическим полем, а движимы силой Лоренца.) В результате в пустом пространстве (почему в пустом?) может распространяться электромагнитная волна. Из уравнений Максвелла следует, что ее скорость равна скорости света. Уравнения Максвелла сыграли важную роль при возникновении СТО. Джозеф Лармор (1900 г.) и независимо от него Хенрик Лоренс (1904 г.) нашли преобразования координат, пространства-времени электромагнитных полей, которые оставляют уравнения Максвелла инвариантными при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Они получили название преобразований Лоренца и стали математическим фундаментом СТО. Распространение электромагнитной волны со скоростью света первоначально интерпретировалось как возмущение некоторой среды в виде эфира. Пуанкаре высказал гипотезу о принципиальной невозможности обнаружить движение Земли относительно эфира (принцип относительности). Ему же принадлежит постулат о независимости скорости света от скорости его источника и вывод (вместе с Лоренцем), исходя из сформулированного так принципа относительности, о необходимости применения преобразований Лоренца. Как видно Пуанкаре с Лоренцем были предтечей для формулировок Эйнштейна. Их идеи легли в основу статьи Эйнштейна в 1905 г. В СТО преобразования Лоренца отражают общие свойство пространства и времени, а модель эфира оказалась ненужной, в чем сомневался Пуанкаре и не принимал Лоренц. Электромагнитное поле является самостоятельным объектом, существующим наравне с материальными частицами. Правда, почему-то никто не задался вопросом материальной природы не только электромагнитного поля, но и электрического и магнитного. Если относительно любого материального тела можно вести отсчет, то у поля нет ни одной материальной точки для ведения отсчета. Это заставляет насторожиться. Почему такое отличие? Электромагнитная волна движется в
