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 реальной среде, являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось становление континуальной, полевой физики. Одновременно с возникновением волновой теории света формировалась совершенно новая парадигма физического исследования — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадлежит 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 оставались безразличными. Первым обратил на них серьезное внимание Дж.К.Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и построил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике понятие «эфир» и сформулированное в теории электрических и магнитных явлений понятие «электромагнитное поле» сначала сближаются, 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 электрических и магнитных явлений, и предсказывать новые явления. Со временем становилось все более очевидным, что этой абстракции соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие поля завоевало 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 частных производных. Система взглядов, которая легла в основу уравнений Максвелла, получила название теории электромагнитного поля Максвелла.
Хотя эта система уравнений имеет простой вид, но чем больше сам Максвелл и его последователи работали над ними, тем более глубокий смысл открывался им. Генрих Герц, который экспериментально получил электромагнитные излучения, предсказанные теорией Максвелла, говорил о неисчерпаемости уравнений Максвелла. Герц отмечал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом, - кажется, 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 математики. Для него исходными были физические идеи и соображения, которые он облекал самостоятельно в математическую 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 обоснование. [2]
Среди постоянных величии, входящих в уравнение Максвелла, была константа с. Применив уравнение к конкретному случаю, Максвелл нашел, что она точно совпадает со скоростью света. Процесс распространения поля будет продолжаться 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, распространяется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 300 000 км/с. Из всех этих совпадений видно, что свет имеет электромагнитную природу, что световой поток - это поток электромагнитных волн. В световых волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного полей, а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии напряжения.
Открытие Максвелла сравнимо по научной значимости с открытием закона всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению понятия всеобщего закона тяготения, труды Максвелла - к введению понятия электромагнитного поля и электромагнитной природы света. Работы Максвелла привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнитного поля, которое не совместимо с материальными точками и вещественной массой классической физики. Поле - это новая фундаментальная физическая реальность. Поэтому представления о поле должны выступать в качестве первичных, исходных понятий. Как отмечал А. Эйнштейн, электромагнитное поле не нуждается даже в эфире, поскольку поле само является фундаментальной реальностью.
В работах по принципиальным вопросам физики А. Эйнштейн ввел понятие «программа Максвелла», которую толковал как «полевую программу». Сам Эйнштейн стоял на позициях 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 дальнодействия она выдвинула и обосновала прямо противоположный принцип близкодействия, согласно которому силовое действие передается от точки к точке. Скорость света 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 противоречия и слабые стороны самой классической физики, то станет понятно, что в конце XIX века стремительно нарастал кризис механистической научной картины мира.
2. Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна
Теорию Максвелла ряд авторов интерпретируют как новую - электромагнитную научную картину мира. С этим нельзя согласиться: переход от одной НКМ к другой может совершиться лишь при условии, если развитие естествознания приведет к качественно новой трактовке не одного, а целой группы базисных понятий. Тогда как теория Максвелла в явном виде выдвинула лишь один новый принцип - принцип близкодействия. В остальном она просто вышла за рамки МКМ, поскольку 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 продолжением 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, позволивших дать новое истолкование некоторым базисным понятиям.
Первое и, по-видимому, самое мощное влияние на перестройку НКМ оказала теория относительности выдающегося физика-теоретика XX столетия Альберта Эйнштейна (1879-1955).
Поскольку в теории относительности Эйнштейна большую роль играет принцип относительности движения в формулировке Ньютона, то полезно еще раз привести ее. Впервые этот принцип ввел Галилей, о чем говорилось выше. С учетом идей Декарта Ньютон уточнил и расширил формулировку 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 принцип относительности движения.
Принцип относительности движения означает, что во всех инерциальных системах отсчета механические процессы инвариантны. Иначе говоря, два наблюдателя в одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что в их системах физические 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 преобразований 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 времени, включая Эйнштейна, стремились теоретически и логически 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 относительности движения классической физики, поскольку ее уравнения оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея. Это был существенный изъян, поскольку вся практика подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая теория не опровергает его.
2. Полевая картина физической реальности Максвелла оказалась теоретически неполной и логически противоречивой, так как трактовка электрического поля и электрически заряженных частиц (носителей поля) не была увязана концептуально. Эйнштейн отмечал: теория 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 точки, расположенные в пространстве дискретно, что противоречит 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 «или».
Объектом теории относительности выступают «физические события» как целостные объекты, в которых объединены понятия материи, движения, пространства, времени. Физической реальностью, отмечал Эйнштейн, обладают не точки пространства и не моменты времени, а только сами события, определенные четырьмя числами х, у, z, t. «Законы природы примут наиболее удовлетворительный с точки зрения логики вид, будучи выражены как законы в четырехмерном пространственно-временном континууме» [4].
Остановимся теперь на рассмотрении первого недостатка. Анализ показал, что уравнения Максвелла неинвариантны относительно галилеевых преобразований. Это значит, что при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой форма уравнений оказывалась разной. Это равносильно тому, что в разных системах отсчета один и тот же физический процесс осуществлялся по разным законам, что противоречит науке. Как же уберечь теорию Максвелла от этого недостатка?
В 1890 году Г. Герц искусственно подобрал систему уравнений, инвариантных относительно галилеевых преобразований, которые в частном случае покоящегося тела обращаются в уравнения Максвелла. Однако уравнения Герца противоречили опытно установленному постоянству скорости света (300 000 км/с).
Страницы: 1, 2
