Взаимодействието на материята - неотчуждаема собственостматерия, действаща като причина за движението на материята.

Фундаментални взаимодействия- различни, нередуцируеми видове взаимодействие елементарни частиции телата, съставени от тях.

Има четири типа взаимодействие:

1. Гравитационно взаимодействие – отговорно за взаимодействието между телата, които имат маса. Той е решаващ в мега света – света на планетите, звездите, галактиките.

2. Електромагнитно взаимодействие – отговорно за взаимодействията между електрически заредени частици и тела. От съществено значение за макрокосмоса и атомните явления. Определя структурата и свойствата на атомите и молекулите.

3. Силно взаимодействие – отговорно за взаимодействието между кварки и адрони, за свързването на нуклони в ядрото. То е решаващо в микрокосмоса.

4. Слабо взаимодействие – отговорно за други видове взаимодействие между елементарните частици – всички видове бета разпад на ядрата, процеси на взаимодействие на неутрино с материята, за много разпада на елементарни частици. Проявява се в микрокосмоса.

Рационалистичният мироглед приема, че всяко събитие има материална причина: въздействието на материалното тяло (тела). Следователно всяка програма за рационално обяснение на заобикалящия свят включва идеи за механизмите взаимодействияматериални обекти.

Концепцията за близко разстояниепредполага, че взаимодействието е възможно само при директен контакт на взаимодействащи обекти, всяко действие на разстояние трябва да се предава чрез материални медиатори, така наречените носители на взаимодействие, с ограничена скорост.

Концепция за дълги разстоянияпредполага, че взаимодействието на материалните тела не изисква материален посредник и може да се предаде мигновено.

Концепцията за близко действие е предложена от Аристотел, който е убеден, че в света няма празнота. Следователно между всякакви две взаимодействащи тела има редица други тела, съседни едно на друго, които предават взаимодействие чрез директен контакт.

През 17 век концепцията за действие на малък обсег е разработена от Рене Декарт. В механиката на Декарт взаимодействието се осъществява само чрез натиск или удар, т.е. когато телата влязат в контакт.

Концепцията за действие на далечни разстояния е проследена в атомистичната теория на Демокрит и Левкип, тъй като взаимодействието между атомите се предава през празнотата.

В механичната картина на света, чийто основател е Исак Нютон, беше възприета концепцията за действие на далечни разстояния, докато се смяташе, че действието на едно тяло върху друго винаги е действие на второто върху първото, тоест взаимодействие.

AT края на XIXв възникна нова идея- идеята за поле, чиято основна роля е прехвърлянето на взаимодействие. Майкъл Фарадей дойде с идеята за електро магнитно поле, който предава взаимодействието при наелектризирането на проводниците и намагнитването на вещество. Максуел развива и математически формализира тази идея. По този начин, в основата на електромагнитната научна картина на светасе крие в концепцията за близко разстояние. Механизмът за прехвърляне на взаимодействие с поле е както следва. Тялото, участващо във взаимодействието, създава поле около себе си, което заема площ от пространство с радиус равно на радиусавзаимодействия. Други тела не взаимодействат директно с първото тяло, а с създаденото от него поле в точките, където се намират. Промяната в състоянието на едно от взаимодействащите тела предизвиква смущение на създаденото от него поле, което се разпространява под формата на вълна, достига до други тела и едва тогава тяхното състояние започва да се променя. Наред с електромагнитното поле, което носи електромагнитни взаимодействия, електромагнитната картина на света разглежда и гравитационното поле - носител на гравитационни сили.

AT съвременна живописмирполучена идея за терен по-нататъчно развитие. Механизмът на взаимодействие на полето е посочен в механизъм на квантовото поле. От гледна точка на съвременната физика всички форми на съществуване на материята са дискретни. Смущението на полето - вълна - според корпускулярно-вълновия дуализъм, може да се разглежда едновременно като набор от частици - кванти на полето. Следователно взаимодействието, пренасяно от полето, се разглежда като процес на обмен на полеви кванти между взаимодействащи тела и частици материя. Квантите, обменени между взаимодействащи тела, не са обикновени частици, а виртуални частици. Виртуалните частици се различават по това, че е невъзможно да се открият по време на тяхното съществуване. За тяхното съществуване и свойства може да се съди само косвено – по силата на пренесеното взаимодействие. Невъзможно е да се регистрира директно виртуална частица. Например, виртуален фотон не може да бъде регистриран чрез визуално усещане върху ретината. Описанието на механизма на взаимодействие на езика на обмена на виртуални частици не изключва, а допълва класическо описаниена езика на полетата и вълните. Така концепцията за дългосрочно действие в науката се оказа напълно отхвърлена.

От далечни до къси разстояния: теория електромагнитно поле.

Идеята за единството на различните природни сили и нейното емпирично потвърждение. В началото на XIX век. започват да се полагат основите на теорията за електричеството и магнетизма. Тук важна роля изигра идеологическата идея за единството на природните сили. Датският физик започва тук Х. К. Ерстед (1777-1851), който получи докторска степен по философия. Вниманието му беше привлечено от идеята на немския натурфилософ Ф. Шелинг за взаимното влияние на природните сили. През 1813 г. ученият поставя проблем - да открие връзката между "волтаичното електричество" и магнетизма. Решението идва през 1820 г., когато е открито, че електрически ток създава магнитно поле около проводник, което въздейства върху магнитната игла. През 1821 г. французин А. М. Ампер (1775-1836) установи, че два проводника, успоредни един на друг с електрически ток, се държат като два магнита: ако токовете вървят в една и съща посока, тогава проводниците се привличат, в случай на противоположни посоки, те се отблъскват. английски физик М. Фарадей (1791-1867)постави проблема за обратната връзка: може ли магнитно поле да генерира ток в проводник? През 1831 г. той установява, че в проводник, поставен в променливо магнитно поле, се появява ток. Така беше открит феноменът на електромагнитната индукция.

Всички тези емпирични закони бяха обединени от математическата теория на немския физик W. E. Weber (1804-1891). Тя се основава на идеята за далечни сили, които са свързани с Нютоновия гравитационна сила, който не се нуждае от междинна среда и действа моментално. Авторитетът на Нютон във физичната общност е толкова висок, че учените сляпо следват призива му „да не се измислят хипотези“ за механизма на действие на силите. И все пак имаше изключения, предимно в лицето на Фарадей.

Работейки като папка в печатница, Фарадей самостоятелно изучава физика и тази страст го отвежда към науката. Като вярващ, той беше сигурен във връзката между електрическите и магнитните явления, тъй като „природата е една от Бога“. Неконвенционалното самоуко мислене и талантът за експериментиране го направиха учен от световна класа. Той не владееше сложната математика на своето време и затова посвети всичките си сили на експерименти и разбиране на техните резултати. Идеята за действие на далечни разстояния, която доминираше в университетските катедри, не засегна ума на Фарадей. Освен това различни експерименти го убеждават в късодействието на електрическите и магнитните сили. В тази връзка особено се откроиха фактите за движението на проводниците (железни стърготини в близост до магнита, проводници и вериги с ток и др.)

За електричеството и магнетизма действието на малък обсег е универсално. Иновативното мислене на Фарадей предвижда идеологически промени във физическата картина на природата. Идеята на Нютон за действие на далечни разстояния изигра положителна роля при формирането на закона земно притегляне. В отсъствието необходими фактии правилната математика, не позволяваше на учените да се увличат с изграждането на преждевременни спекулативни модели на гравитацията. Но през първата половина на XIX век. ситуацията започна да се променя. Физиката стана възприемчива към картезиански идеи за движението на различни материални обекти, медиите, действащи като носители на сили на къси разстояния. В оптиката концепцията на Нютон отстъпва място на вълновата теория на светлината с модела на трептенията на ефирната среда. AT кинетична теориятоплината се появи под формата на движение на атоми и молекули на материята. Механиката на континуума също допринесе за възраждането на картезианските идеи. Учени с остра интуиция бяха първите, които усетиха нуждата от промяна. Да, немски изследовател Да се. Ф. Гаус (1777-1855)и неговият ученик Б. Риман предполагат, че електродинамичните сили не действат мигновено, а с крайна скорост, равна на скоростта на светлината. Освен това до средата на XIX век. математическите методи са формирани под формата на диференциални уравнения в частни производни. Този апарат стана необходим за реализирането на идеята за действие с малък обсег. Много уравнения на хидродинамиката и термодинамиката се оказаха подходящи за електродинамика. През 40-50-те години. проблемът за създаване на електродинамика, базиран на принципа на действие на къси разстояния, беше на дневен ред и беше решен от Максуел.

Емпиричните закони на Фарадей са преведени на езика на математиката. Максуел взе емпиричните обобщения на Фарадей като свой изходен материал. Той виждаше основната си задача в това да им даде подходяща математическа форма. Тази работа се оказа далеч от формална, тъй като преводът на емпирични образи на езика на математиката изисква специално творчество. И така, анализирайки електромагнитната индукция, Фарадей изложи идеята за „електротонично състояние“, при което промяната в магнитното поле причинява вихър електрическо поле.

Поле и етер. От наследството на Фарадей Максуел също взе принципа на действие с малък обсег и идеята за поле. Те се допълват взаимно, тъй като действието на къси разстояния трябва да се извършва в материална непрекъсната среда и полето действа именно в тази среда. Вярно е, че Фарадей разбира полето за неопределено време и разглежда средата като нещо подобно на газообразна среда. И не е случайно, че Максуел отначало изгражда модели на електрическото поле, поставяйки го в специална течност, подобна на среда, която е несвиваема, безинерционна и тече, изпитвайки съпротивление. По-късно етерът е фиксиран за него като среда, която изпълва цялото пространство и пронизва всички тежки тела. Тази идея е широко използвана от Томсън, под чието научно влияние е Максуел. Оттук полето му се превърна в област на етера, пряко свързана с електрическата и магнитни явления: "... Електромагнитното поле е тази част от пространството, която съдържа и заобикаля тела, които са в електрическо или магнитно състояние."

Екстравагантност на тока на пристрастия. Идеите за полето и етера изиграха решаваща роля за разбирането на централния елемент на теорията - хипотезата за тока на изместване. В експериментите на Фарадей се наблюдават ефекти на голямо разстояние от електричеството, протичащо през проводник. Същото обяснение изискваше и фактът на пасажа променлив токпрез изолатор, разделящ двете пластини на кондензатора. В знак на признание за нов вид електрически токсъображенията за симетрия биха могли да изиграят своята роля - токът на проводимост се допълва от тока на изместване. Но как е възможно движението на последното? И това е мястото, където етерът влезе в игра. Подобно на проводник, това е тяло само с голямо разреждане и пропускливост. Еластичните свойства на етера позволяват променливата електрическо поледвижете се напред-назад, тоест колебайте. Това е токът на изместване, който има формата на вълнообразен колебателен процес и се разпространява в етера извън проводниците. Точно като тока на проводимост, той може да генерира магнитно поле. Според закона на индукцията променливо магнитно поле създава променливо електрическо поле. Със своята теория Максуел одобрява пълното взаимодействие: всяко променливо електрическо поле, базирано или на ток на проводимост, или на ток на изместване, генерира магнитно поле. Съществува симетрия на взаимните влияния на динамичните полета, което съставлява единната природа на електромагнитното поле.

Светлината като електромагнитно поле. Теорията на Максуел помогна да се разбере по-добре същността на светлината. От древни времена съществува корпускулна (лат. corpusculum - тяло) хипотеза, която гласи, че светлината е поток от праволинейно движещи се, много малки частици. Според друго предположение светлината е вълна с много малка дължина. В началото на XIX век. Е. Юнг и О. Френел представиха убедителни аргументи в полза на вълновата хипотеза. Измерванията установиха, че скоростта на светлината е приблизително 300 000 km/s.

Електромагнитното поле не е само светлина. Според теорията на Максуел, електромагнитните вълни също се разпространяват със скорост от 300 000 km/s. Съвпадението на скоростите и вълновата теория на светлината накара учения да припише светлината на електромагнитните процеси. Теорията за светлината като последователно редуване на електрически и магнитни полета не само обяснява добре стари факти, но и предсказва неизвестни явления. В допълнение към видимата светлина трябва да има инфрачервено, ултравиолетово лъчение и други видове вълни. Светлината също трябва да упражнява известно количество натиск върху материята.

Опитно откриване електромагнитни вълни . Теорията на Максуел е публикувана през 1873 г. в Трактат за електричеството и магнетизма. Почти всички физици бяха скептични към това, хипотезата за тока на изместване предизвика специално отхвърляне. В теориите на Вебер и Хелмхолц нямаше такива екзотични идеи. В тази ситуация се изискваха доказателства за решаващи експерименти и те се състояха. През 1887 г. немски физик Г. Херц (1857-1894)създаде генератор на електромагнитни вълни и осъществи тяхното приемане. Така беше открит мистериозен „ток на пристрастия“, който отвори перспективата за нова практика (радио, телевизия). През 1895 г. немският физик В.К. Рентген открива ново излъчване, наречено рентгеново, и се оказва електромагнитни вълни с честота по-висока от ултравиолетова радиация. През 1900 г. руски учен П. Н. Лебедев (1866-1912)чрез много фини експериментиоткрива налягането на светлинните вълни и измерва неговата величина. Цялата тази научна практика недвусмислено сочеше теорията на Максуел като истински образ на природата.

Материята е материя и електромагнитно поле. Поради своята фундаментална природа теорията на Максуел оказва значително влияние върху научната картина на природата. Дългосрочният монопол на идеята за материята рухна и чрез концепцията за електромагнитното поле идеята за физическото поле започна да се формира като независими видовематерия. Програмата за откриване на единството на природата получи забележителен резултат - предишната разлика между електричество и магнетизъм отстъпи място на един-единствен електромагнитен процес. Максуел демонстрира високата евристична сила на математическата хипотеза и даде пример за синтеза на математиката с физиката. Новата електродинамика се превърна в короната на класическата физика.

Задачи.

1. Какви тенденции са характерни за развитието на биологията от 16 до 19 век?

2. Защо откритието от Д. И. Менделеев периодичен законсмятат за революция в химията?

3. Какви идеологически изводи са направени от закона за запазване на енергията?

4. Защо махистите и енергетиците критикуваха атомистиката?

5. Възможно ли е да се разпознае статистическа закономерност от позицията на лапласовия детерминизъм?

6. Какви нови идеи донесе електродинамиката на Максуел?

100 rбонус за първа поръчка

Изберете вида работа Дипломна работа Курсова работаРезюме Магистърска теза Доклад за практиката Статия Преглед на доклада ТестМонография Решаване на проблеми Бизнес план Отговори на въпроси творческа работаЕсе Рисуване Композиции Превод Презентации Писане Друго Повишаване уникалността на текста Кандидатска теза Лабораторна работаПомощ онлайн

Попитайте за цена

Още в древния свят мислителите са мислили за природата и същността на пространството и времето. Някои от философите отричаха възможността за съществуване на празно пространство или, както се изразяват, несъществуване. Това били представители на елейската школа в Древна Гърция - Парменид и Зенон.Други философи, включително Демокрит, твърдят, че празнотата съществува, подобно на атомите, и е необходима за техните движения и връзки.

До 16 век геоцентричната система на Птолемей доминира в естествените науки.Това беше първият универсален математически модел на света, в който времето беше безкрайно, а пространството беше ограничено, включително униформа Кръгово движение небесни телаоколо покойната земя. В хелиоцентричната система на света настъпи радикална промяна в пространствената и цялостната физическа картина, представена от Коперник.Признавайки подвижността на Земята, той отхвърля всички съществуващи идеи за нейната уникалност като център на Вселената и по този начин насочва движението на научната мисъл към признаването на безкрайността и безкрайността на космоса. Тази идея е развита във философията Джордано Бруно,който заключи, че Вселената е безкрайна и няма център.

Важна роля в развитието на идеите за космоса изигра отвореното Галилейпринципа на инерцията. Според този принцип всички физически (механични) явления протичат по един и същи начин във всички системи, движещи се равномерно и праволинейно с постоянна скорост по големина и посока.

По-нататъшното развитие на концепцията за пространство и време е свързано с физическата и космическата картина на света Р. Декарт.Той го основава на идеята, че всички природни явления се обясняват с механичното действие на елементарните материални частици. Декарт представя самото въздействие под формата на натиск или удар, когато частиците влизат в контакт една с друга и по този начин въвежда идеята във физиката в близост.

В класическата механика беше представена нова физическа картина на света I. Нютон.Той нарисува хармонична картина на планетарната система, даде строга количествена теория за движението на планетите. Върхът на неговата механика е теорията на гравитацията, която провъзгласява универсалния закон на природата - закон на гравитацията. Според този закон всякакви две тела се привличат едно към друго със сила, която е право пропорционална на масите им и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

Този закон се изразява със следната формула:

където: к- гравитационна константа; m1, m2- гравитиращи маси; r- разстоянието между тях.

Този закон не казва нищо за зависимостта на гравитацията от времето. Силата на гравитацията, чисто математически, може да се нарече далечна,той моментално свързва взаимодействащите тела и неговото изчисляване не изисква никакви предположения за средата, която предава взаимодействието.

След като разшири закона за гравитацията върху цялата Вселена, Нютон обмисли и нейната възможна структура. Той стигна до заключението, че Вселената е безкрайна. Само в този случай той може да съдържа много космически обекти - центрове на тежестта. В рамките на Нютоновия модел на Вселената е установена идеята за безкрайно пространство, в което има космически обекти, свързани чрез гравитация. Откриването на основните закони на електро- и магнитостатиката, последвало през втората половина на 18-ти век, подобни в математическа форма на закона за универсалното привличане, допълнително потвърждава в умовете на учените идеята за силите на далечни разстояния, които зависи само от разстоянието, но не и от времето.

Обръщането към идеите за действие с малък обсег се свързва с идеите на Фарадей и Маскуел,който разработи концепцията за електромагнитното поле като независима физическа реалност. Отправната точка за това беше разпознаването на взаимодействие на къси разстояния и крайната скорост на предаване на всякакви взаимодействия.

Изводът, че вълновото електромагнитно поле е отделено от разряда и може самостоятелно да съществува и да се разпространява в пространството, изглеждаше абсурдно. Самият Максуел упорито се стремеше да изведе своите уравнения механични свойстваетер. Но когато Херц експериментално открива съществуването на електромагнитни вълни, това се приема като решаващо доказателство за валидността на теорията на Максуел. Мястото на моментното действие на далечни разстояния беше заето от действие на къси разстояния, предавано с ограничена скорост.

Близко действие е представяне, според което взаимодействието между тела, отдалечени едно от друго, се осъществява с помощта на междинна среда (поле) и се осъществява с ограничена скорост. В началото на 18 век, едновременно с теорията за действието на къси разстояния, се ражда и противоположната теория за действието на далечни разстояния, според която телата действат едно върху друго без посредници, през празнота, на произволно разстояние и т.н. взаимодействието се осъществява с безкрайно висока скорост (но се подчинява на определени закони). Пример за действие на далечни разстояния може да се счита за силата на универсалната гравитация в класическата теория на гравитацията от И. Нютон.

М. В. Ломоносов се счита за един от основателите на теорията за действие на къси разстояния. Ломоносов беше противник на теорията за далечни разстояния, вярвайки, че едно тяло не може да действа незабавно върху други тела. Той вярвал, че електрическото взаимодействие се предава от тяло на тяло чрез специална среда "етер", която запълва цялото празно пространство, по-специално пространството между частиците, които съставляват "тежест материя", т.е. вещество. електрически явления, според Ломоносов, трябва да се разглеждат като определени микроскопични движения, възникващи в етера. Същото важи и за магнитните явления.

Теоретичните идеи на Ломоносов и Л. Ойлер обаче не могат да бъдат развити по това време. След откриването на закона на Кулон, който по своята форма е същият като закона за всемирното притегляне, теорията за далечните разстояния напълно измества теорията на късите. И едва в началото на 19 век М. Фарадей възражда теорията за действието на къси разстояния. Според Фарадей, електрически зарядине се влияят пряко взаимно. Всеки от тях създава електрически и магнитни (ако се движи) полета в околното пространство. Полетата на един заряд действат върху друг и обратно. Общото признание на теорията за действието на къси разстояния започва през втората половина на 19 век, след експерименталното доказателство на теорията на Дж. Максуел, който успява да придаде на идеите на Фарадей точна количествена форма, така необходима във физиката - a система от уравнения на електромагнитното поле.

Важна разлика между теорията за действие на къси разстояния и теорията за действие на далечни разстояния е наличието максимална скоростразпространение на взаимодействия (поля, частици) - скоростта на светлината. В съвременната физика има ясно разделение на материята на частици-участници (или източници) на взаимодействия (наречени материя) и частици-носители на взаимодействия (наречени поле). От четирите типа фундаментални взаимодействия три са получили надеждна експериментална проверка за съществуването на частици носители: силни, слаби и електромагнитни взаимодействия. В момента се правят опити за откриване на носители на гравитационно взаимодействие – т.нар

Благодарение на изследванията и постиженията на Ерстед, Фарадей, Максуел, Херц, Попов беше показано, че материята съществува не само под формата на материя, но и под формата на поле. Признаването на реалността на електромагнитното поле означаваше победа във физиката концепции от близко разстояниенад стандарта през 19 век. концепция за дълъг обсег. Нека да разгледаме същността на тези понятия.

Дълъг и малък обсег - противоположни понятия, предназначени да обясняват общ характервзаимодействия на физически обекти.

Веднага след откриването от Нютон на закона за всемирното привличане, а след това и след откриването на Кулон за закона за електростатичното взаимодействие на зарядите, възникват философски въпроси: защо физическите тела с маса действат едно върху друго на разстояние през празно пространство и защо заредените тела взаимодействат дори през електрически неутрална среда? Преди въвеждането на концепцията за полето нямаше задоволителни отговори на тези въпроси. Дълго време се смяташе, че взаимодействието между телата може да се осъществи директно през празното пространство, което не участва в преноса на взаимодействие и прехвърлянето на взаимодействието, по този начин, става мигновено. Това предположение е същността на концепцията дълъг обхватпозволявайки действие извън времето и пространството. След Нютон тази концепция получава широко използваневъв физиката, въпреки че самият Нютон е разбрал, че въведените от него сили на далечни разстояния (например гравитацията) са само формално устройство, което позволява да се даде описание на наблюдаваните явления, което до известна степен е правилно.

В изследванията върху електричеството и магнетизма концепцията за действие на далечни разстояния, малко преди изследванията на Фарадей, победи преобладаващите дълго времемеханистичната концепция за тясно взаимодействие, според която взаимодействащите тела трябва да се докосват. Тази победа доведе до редица важни теории и закони (законът на Кулон, електродинамиката на Ампер). Въпреки това, до средата на XIX век. Идеята за необходимостта от изоставяне на действието на далечни разстояния в електродинамиката, признаването на принципа на действие на къси разстояния и ограничената скорост на разпространение на електромагнитните смущения започнаха да завладяват умовете на учените (Гаус, Риман), но никой освен Максуел не развива тази идея и я довежда до нивото на научна теория.

Концепция къс обхватгласи, че всяко въздействие върху материални обекти може да се предава само от дадена точка в пространството до най-близката съседна точка и за краен период от време. В теорията на електромагнетизма на Максуел е доказано, че взаимодействието на електрически заредени тела не е моментално, а с крайна скорост, равна на скоростта на светлината във вакуум - 300 000 км/сек.

По този начин развитието на концепцията за физическото поле допринесе за укрепването на концепцията за взаимодействие на къси разстояния, която се простира не само до електромагнитните, но и до други видове взаимодействия.

Развитие на понятията пространство и време в специалната теория на относителността

В механистичната картина на света понятията пространствои времеразглеждат независимо от свойствата на движещата се материя. Пространството е действало в него като своеобразен приемник за движещи се тела, а времето като параметър, чийто знак може да се обърне. Друга особеност на механистичната картина на света е, че в нея пространството и времето като форми на съществуване на материята се изучават поотделно и поотделно, в резултат на което връзката им не се установява.

Принципът на относителността

Когато механистичната картина на света доминираше в естествените науки и имаше тенденция да се сведе обяснението на всички природни явления до законите на механиката, принцип на относителността, формулиран от Галилей в рамките на класическата механика, не подлежи на никакво съмнение. Ситуацията се промени драстично, когато физиците се заеха с изучаването на електрически, магнитни и оптични явления. Максуел обединява всички тези явления в рамките на единна електромагнитна теория. В тази връзка естествено възниква въпросът: валиден ли е принципът на относителността и за електромагнитните явления?

През 1905 г. френският математик и физик А. Поанкаре (1854–1912) формулира принципа на относителността като общ физически закон, който е валиден и за механични и електромагнитни явления. Според този принцип законите на физическите явления трябва да са еднакви както за наблюдател в покой, така и за наблюдател в състояние на еднакво състояние праволинейно движение. Въз основа на принципа на относителността е разработена нова физическа теория за пространството и времето - .

А. Поанкаре е първият, който предлага принципът на равенството на всички инерционни координатни системи да важи и за електромагнитните явления, т.е. Принципът на относителността важи за всички природни явления. Това доведе до необходимостта от преразглеждане на концепцията за пространствои време. Поанкаре обаче не посочи необходимостта от това. Това е направено за първи път от А. Айнщайн (1979–1955).

Специална теория на относителността- физическа теория, която разглежда пространството и времето като тясно свързани форми на съществуване на материята. Специалната теория на относителността е създадена през 1905-1908 г. произведения на Х. Лоренц, А. Поанкаре, А. Айнщайн и Г. Минковски въз основа на анализа на експериментални данни, свързани с оптичните и електромагнитни явления, които са обобщени от следните постулати:

· принцип на относителносттаспоред която всички природни закони трябва да бъдат еднакви във всички инерционни системисправка;

· принцип на постоянство на скоростта на светлината, според който скоростта на светлината във вакуум е една и съща във всички инерциални референтни системи и не зависи от движението на светлинните източници и приемници.

Принципът на относителността във формулировката на Айнщайн е обобщение на принципа на относителността на Галилей, формулиран само за механично движение. Този принцип следва от цяла поредица от експерименти, свързани с електродинамиката и оптиката на движещи се тела.

Точните експерименти на Майкелсън през 80-те години на XIX век. показа, че по време на разпространението на електромагнитни вълни скоростите не се сумират. Например, ако по посоката на движение на влак, чиято скорост е равна на v1, изпраща светлинен сигнал със скорост v2, близка до скоростта на светлината във вакуум, тогава скоростта на сигнала по отношение на платформата е по-малка от сумата v1+v2и като цяло не може да надвишава скоростта на светлината във вакуум. Скорост на разпространение светлинен сигналне зависи от скоростта на източника на светлина. Този факт влезе в противоречие с принципа на относителността на Галилей.

Принципът на постоянството на скоростта на светлината може например да се провери чрез измерване на скоростта на светлината от противоположните страни на въртящото се Слънце: единият край на Слънцето винаги се движи към нас, а другият в обратна посока. Въпреки движението на източника, скоростта на светлината във вакуум е винаги една и съща и равна на s=300000 km/s.

Тези два принципа си противоречат от гледна точка на основните идеи на класическата физика.

Възникна дилема: отхвърлянето или на принципа за постоянство на скоростта на светлината, или на принципа на относителността. Първият принцип е установен толкова точно и недвусмислено, че би било очевидно неоправдано да се откаже, а освен това е свързан с прекомерно усложняване на описанието на природните процеси. Не по-малко трудности възникват, когато принципът на относителността се отрича в областта на електромагнитните процеси.

Очевидното противоречие между принципа на относителността и закона за постоянството на скоростта на светлината възниква, защото класическата механика, според Айнщайн, се основава на „две неоправдани хипотези“:

интервалът от време между две събития не зависи от състоянието на движение на референтната система;

Пространствено разстояние между две точки твърдо тялоне зависи от състоянието на движение на референтната система.

Въз основа на тези на пръв поглед съвсем очевидни хипотези, класическата механика мълчаливо призна, че стойностите на интервала от време и разстоянието имат абсолютни стойности, т.е. не зависят от състоянието на движение на референтното тяло. Оказа се, че ако човек в равномерно движеща се кола измине, например, разстояние от 1 метър за една секунда, тогава той също ще премине същия път по отношение на пътното платно за една секунда. По същия начин се смяташе, че пространствените размери на телата в покой и движещи се отправни системи остават същите. И въпреки че тези предположения от гледна точка на обикновеното съзнание и здравия разум изглеждат самоочевидни, все пак те не са съгласни с резултатите от внимателно проведени експерименти, потвърждаващи заключенията на новата специална теория на относителността.

3.4.2. Преобразуване на Лоренц

Айнщайн, когато работи върху специалната теория на относителността, не изоставя принципа на относителността, а, напротив, му даде повече обща форма. В същото време беше необходимо радикално да се трансформира разбирането за пространството и времето, с една дума, да се създаде фундаментално нова теорияпромени в пространствено-временните отношения между обектите.

Нека разгледаме на какви условия трябва да отговарят трансформациите на пространствените координати и времето при прехода от една референтна система към друга. Ако приемем предположението на класическата механика за абсолютната природа на разстоянията и времето, тогава уравненията на трансформация, наречени Галилеева трансформация, ще имат следния вид:

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

Признаването на принципа на постоянството на скоростта на светлината обаче изисква замяната на галилеевото преобразуване с други формули, които не противоречат на този принцип. Айнщайн показа, че такава трансформация, която не противоречи на принципа за постоянство на скоростта, е т.нар. Преобразуване на Лоренц, кръстен на холандския физик H. A. Lorenz (1853–1928).

В случай, когато една референтна система се движи спрямо другата равномерно и праволинейно по оста x х, формулите за трансформацията на Лоренц, включително трансформацията на времето, имат формата:

x \u003d (x '+ vt') / (1-v 2 / c 2) 1/2 ,

y = y',

z = z',

t \u003d (t' + vx' / c 2) / (1-v 2 / c 2) 1/2 ,

където vе скоростта на движение на координатната система (x',y',z')спрямо координатната система (x,y,z),  ° Се скоростта на светлината.

Въз основа на трансформациите на Лоренц е лесно да се провери, че твърда линийка, движеща се по посока на дължината си, ще бъде по-къса от неподвижната и колкото по-къса, толкова по-бързо се движи. Всъщност, използвайки първото уравнение на трансформацията на Лоренц, получаваме, че дължината на движещата се линийка по отношение на фиксираната референтна система l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, където l 0 -дължината на линийката в референтната система, свързана с линийката.

Релативистична механика

Специална теория на относителносттапроизхожда от електродинамикаи не промени малко съдържанието му, но от друга страна значително опрости теоретичната му конструкция, т.е. извеждане на закони и, най-важното, намалява броя на независимите хипотези, лежащи в основата му.

С класическа механикаслучаят е малко по-различен. За да бъде в съответствие с постулатите на специалната теория на относителността, класическата механика се нуждае от някои промени. Тези промени засягат основно законите на бързите движения, т.е. движение, което е сравнимо със скоростта на светлината. При обикновени земни условия се натъкваме на скорости, които са много по-ниски от скоростта на светлината и следователно корекциите, които теорията на относителността изисква да направи, са изключително малки и в много случаи на практика могат да бъдат пренебрегнати.

Нова механика, базирана на Специалният принцип на относителността на Айнщайн, което е комбинация от принципа на относителността с твърдението за крайността на максималната скорост на разпространение на взаимодействието, се нарича релативистична механика.

Основните изводи на релативистката механика са твърденията, че масата на тялото м, неговата дължина ли продължителност на събитието Дтзависят от стойността на съотношението на скоростта на тялото vдо скоростта на светлината ° Си се дефинират по формулите:

m \u003d m 0 / (1 - v 2 / c 2) 1/2,

l \u003d l 0 (1 -v 2 / c 2) 1/2,

Dt \u003d Dt 0 / (1 - v 2 / c 2) 1/2,

където m 0 , l 0 , Dt 0са масата на тялото, неговата дължина и продължителността на събитието в референтната система, свързана с тялото.

Например, ако два космически кораба са в състояние на относително движение, тогава наблюдател на всеки от корабите ще види, че другият кораб се свива в посоката на движение, а астронавтите ще отслабнат и ще се движат бавно. Всички явления с периодични движения ще изглеждат забавени - движението на махало, трептене на атоми и т.н. При нормални скорости тези промени са изключително малки: Земята, която се движи около Слънцето със скорост 30 км/ч, би изглеждало за наблюдател в покой спрямо Слънцето, че е намален само с няколко сантиметра. Когато относителните скорости са много големи, промените стават значителни.

В допълнение към промените в дължината и времето, релативистичната механика дава релативистична промяна на масата .

Масата на тялото, определена чрез измерване на силата, необходима за придаване на дадено ускорение на тялото, се нарича инерционна маса. За наблюдател в космически кораби в покой спрямо някакъв обект, инерционната маса на този обект остава същата независимо от скоростта на кораба vи се нарича маса на покой. Инерционната маса на този обект за наблюдател на Земята се нарича релативистична маса и зависи от относителната скорост на наблюдателя и обекта на наблюдение. Когато скоростта на тялото се доближи до скоростта на светлината, масата му нараства безкрайно и в предела се доближава до безкрайността. Следователно, според теорията на относителността движението със скорост, превишаваща скоростта на светлината, е невъзможно.

От релативистката механика може да се изведе законът за връзката между масата и енергията, който играе основна роля в ядрена физика:

E \u003d mc 2,

където м- телесна маса, Е-неговата енергия.

Експериментална проверка на основните изводи на релативистката механика се използва за обосноваване на специалната теория на относителността на Айнщайн, която се потвърждава ежедневно в лабораториите на атомни учени, работещи с частици, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината. Движения със скорости, сравними със скоростта на светлината, са наблюдавани за първи път на примера на електроните, а след това и на други елементарни частици. Внимателно проектирани експерименти с такива частици наистина потвърдиха предсказанията на специалната теория на относителността, че тяхната маса се увеличава с нарастваща скорост.

При нормални скорости v<< c релативистичната механика преминава в класическата механика на Нютон. Достатъчно е например да се отбележи, че дори при скоростта на спътника на Земята, която е приблизително 8 км/сек, корекцията на масата ще бъде около една две милиарда от нея. През 1928 г. английският физик П. Дирак комбинира специалната теория на относителността и квантовата механика (механика на микрочастиците) в релативистка квантова механикаописващи движението на микрочастиците със скорости, близки до скоростта на светлината.