Interaction de la matière - propriété inaliénable matière, agissant comme la cause du mouvement de la matière.

Interactions fondamentales- différents types d'interaction non réductibles particules élémentaires et les corps qui les composent.

Il existe quatre types d'interactions :

1. Interaction gravitationnelle - responsable de l'interaction entre les corps qui ont une masse. Il est décisif dans le méga-monde - le monde des planètes, des étoiles, des galaxies.

2. Interaction électromagnétique - responsable des interactions entre les particules et les corps chargés électriquement. Essentiel dans le macrocosme et les phénomènes atomiques. Détermine la structure et les propriétés des atomes et des molécules.

3. Interaction forte - responsable de l'interaction entre les quarks et les hadrons, pour la connexion des nucléons dans le noyau. Elle est décisive dans le microcosme.

4. Interaction faible - responsable d'autres types d'interaction entre particules élémentaires - tous les types de désintégration bêta des noyaux, processus d'interaction des neutrinos avec la matière, pour de nombreuses désintégrations de particules élémentaires. Elle se manifeste dans le microcosme.

La vision du monde rationaliste suppose que tout événement a une cause matérielle : l'impact du corps matériel (des corps). Par conséquent, tout programme d'explication rationnelle du monde environnant comprend des idées sur les mécanismes interactions objets matériels.

Le concept de proximité suppose que l'interaction n'est possible qu'avec un contact direct d'objets en interaction, toute action à distance doit être transmise à travers des médiateurs matériels, les soi-disant porteurs d'interaction, avec une vitesse finie.

Concept longue portée suppose que l'interaction des corps matériels ne nécessite pas d'intermédiaire matériel et peut être transmise instantanément.

Le concept d'action rapprochée a été proposé par Aristote, convaincu qu'il n'y a pas de vide dans le monde. Par conséquent, entre deux corps en interaction, il existe un certain nombre d'autres corps adjacents, qui transmettent l'interaction par contact direct.

Au 17ème siècle le concept d'action à courte portée a été développé par René Descartes. Dans la mécanique de Descartes, l'interaction ne se produit que par pression ou impact, c'est-à-dire lorsque les corps entrent en contact.

Le concept d'action à longue portée a été retracé dans la théorie atomistique de Démocrite et de Leucippe, puisque l'interaction entre les atomes se transmettait à travers le vide.

Dans l'image mécanique du monde, dont le fondateur était Isaac Newton, le concept d'action à longue portée a été adopté, alors que l'on croyait que l'action d'un corps sur un autre est toujours l'action du second sur le premier, c'est-à-dire l'interaction.

À fin XIX dans. est né nouvelle idée- l'idée d'un champ dont le rôle principal est le transfert d'interaction. Michael Faraday a eu l'idée de l'électro champ magnétique, qui transmet l'interaction lors de l'électrification des conducteurs et de l'aimantation d'une substance. Maxwell a développé et formalisé mathématiquement cette idée. Ainsi, au cœur de l'image scientifique électromagnétique du monde réside le concept de courte portée. Le mécanisme de transfert d'interaction à l'aide d'un champ est le suivant. Le corps participant à l'interaction crée un champ autour de lui, qui occupe une zone d'espace avec un rayon égal au rayon interactions. Les autres corps n'interagissent pas directement avec le premier corps, mais avec le champ créé par celui-ci aux points où ils se trouvent. Un changement d'état de l'un des corps en interaction provoque une perturbation du champ créé par celui-ci, qui se propage sous la forme d'une onde, atteint d'autres corps, et alors seulement leur état commence à changer. Outre le champ électromagnétique, qui porte les interactions électromagnétiques, l'image électromagnétique du monde considère également le champ gravitationnel - le vecteur des forces gravitationnelles.

À peinture contemporaine paix idée de terrain reçue la poursuite du développement. Le mécanisme d'interaction de champ a été spécifié dans mécanisme de champ quantique. Du point de vue de la physique moderne, toutes les formes d'existence de la matière sont discrètes. La perturbation du champ - une onde - selon le dualisme corpusculaire-onde, peut être considérée simultanément comme un ensemble de particules - quanta de champ. Par conséquent, l'interaction portée par le champ est considérée comme un processus d'échange de quanta de champ entre des corps en interaction et des particules de matière. Les quanta échangés entre des corps en interaction ne sont pas des particules ordinaires, mais des particules virtuelles. Les particules virtuelles diffèrent en ce qu'il est impossible de les détecter pendant leur existence. Leur existence et leurs propriétés ne peuvent être jugées qu'indirectement - par la force de l'interaction transférée. Il est impossible d'enregistrer directement une particule virtuelle. Par exemple, un photon virtuel ne peut pas être enregistré par sensation visuelle sur la rétine. La description du mécanisme d'interaction dans le langage de l'échange de particules virtuelles n'exclut pas, mais complète descriptif classique dans le langage des champs et des vagues. Ainsi, le concept d'action à long terme en science s'est avéré complètement abandonné.

De la longue portée à la courte portée : théorie Champ électromagnétique.

L'idée de l'unité des différentes forces de la nature et sa confirmation empirique. Au début du XIXème siècle. les bases de la théorie de l'électricité et du magnétisme commencent à être posées. L'idée idéologique de l'unité des forces de la nature a joué ici un rôle important. Un physicien danois a commencé ici HC Oersted (1777-1851), qui a obtenu son doctorat en philosophie. Son attention a été attirée sur l'idée du philosophe naturel allemand F. Schelling sur l'influence mutuelle des forces naturelles. En 1813, le scientifique posa un problème - pour découvrir le lien entre "l'électricité voltaïque" et le magnétisme. La solution est venue en 1820, lorsqu'on a découvert qu'un courant électrique crée un champ magnétique autour d'un conducteur, ce qui affecte l'aiguille magnétique. En 1821, un Français AM Ampère (1775-1836) ont trouvé que deux conducteurs parallèles l'un à l'autre avec un courant électrique se comportent comme deux aimants : si les courants vont dans le même sens, alors les conducteurs s'attirent, dans le cas de sens opposés, ils se repoussent. physicien anglais M. Faraday (1791-1867) posé le problème de la relation inverse : un champ magnétique peut-il générer un courant dans un conducteur ? En 1831, il établit qu'un courant apparaît dans un conducteur placé dans un champ magnétique alternatif. Ainsi, le phénomène d'induction électromagnétique a été découvert.

Toutes ces lois empiriques étaient unies par la théorie mathématique du physicien allemand W. E. Weber (1804-1891). Il était basé sur l'idée des forces à longue portée, qui sont liées au Newtonien force gravitationnelle, qui n'a pas besoin d'environnement intermédiaire et agit instantanément. L'autorité de Newton dans la communauté des physiciens était si élevée que les scientifiques ont aveuglément suivi son appel "à ne pas inventer d'hypothèses" sur le mécanisme d'action des forces. Et pourtant, il y avait des exceptions, principalement en la personne de Faraday.

Travaillant comme relieur dans une imprimerie, Faraday a étudié la physique de manière indépendante et cette passion l'a conduit à la science. En tant que croyant, il était sûr de la relation entre les phénomènes électriques et magnétiques, puisque "la nature est une de Dieu". Une pensée non conventionnelle autodidacte et un talent pour l'expérimentation ont fait de lui un scientifique de classe mondiale. Il ne maîtrisait pas les mathématiques complexes de son temps, et consacra donc toutes ses forces aux expériences et à la compréhension de leurs résultats. L'idée d'action à long terme, qui dominait les départements universitaires, n'affectait pas l'esprit de Faraday. De plus, diverses expériences le convainquirent de l'action à courte portée des forces électriques et magnétiques. À cet égard, les faits de mouvement des conducteurs ont été particulièrement distingués (limaille de fer près de l'aimant, fils et circuits avec courant, etc.)

Pour l'électricité et le magnétisme, l'action à courte portée est universelle. La pensée novatrice de Faraday a anticipé les changements idéologiques dans l'image physique de la nature. L'idée de Newton de l'action à long terme a joué un rôle positif dans la formation de la loi la gravité. En l'absence faits nécessaires et les mathématiques proprement dites, elle ne permettait pas aux scientifiques de se laisser emporter par la construction de modèles spéculatifs prématurés de la gravité. Mais dans la première moitié du XIXème siècle. la situation a commencé à changer. La physique est devenue réceptive aux idées cartésiennes sur le mouvement de divers objets matériels, les médias agissant comme vecteurs de forces à courte portée. En optique, le concept newtonien cède la place à la théorie ondulatoire de la lumière avec le modèle des oscillations du milieu éthéré. À théorie cinétique la chaleur est apparue sous forme de mouvement d'atomes et de molécules de matière. La mécanique des milieux continus a également contribué au renouveau des idées cartésiennes. Les scientifiques dotés d'une intuition aiguë ont été les premiers à ressentir le besoin de changement. Oui, un chercheur allemand Pour. F. Gauss (1777-1855) et son élève B. Riemann a suggéré que les forces électrodynamiques n'agissent pas instantanément, mais avec une vitesse finie égale à la vitesse de la lumière. De plus, au milieu du XIXe siècle. formé des méthodes mathématiques sous la forme d'équations différentielles en dérivées partielles. Cet appareil est devenu nécessaire pour la réalisation de l'idée d'action à courte portée. De nombreuses équations d'hydrodynamique et de thermodynamique se sont avérées adaptées à l'électrodynamique. Dans les années 40-50. le problème de la création d'une électrodynamique basée sur le principe de l'action à courte portée était à l'ordre du jour, et il a été résolu par Maxwell.

Les lois empiriques de Faraday sont traduites dans le langage des mathématiques. Maxwell a pris les généralisations empiriques de Faraday comme matériau de départ. Il a vu sa tâche principale en leur donnant une forme mathématique appropriée. Ce travail s'est avéré loin d'être formel, car la traduction d'images empiriques dans le langage mathématique nécessitait une créativité particulière. Ainsi, analysant l'induction électromagnétique, Faraday a avancé l'idée d'un «état électrotonique», où un changement du champ magnétique provoque un vortex champ électrique.

Champ et éther. De l'héritage Faraday, Maxwell a également repris le principe de l'action à courte portée et l'idée d'un champ. Ils se complètent, puisque l'action à courte portée doit avoir lieu dans un milieu continu matériel, et que le champ agit précisément dans ce milieu. Certes, Faraday comprenait indéfiniment le champ et considérait le milieu comme quelque chose de semblable à un milieu gazeux. Et ce n'est pas un hasard si Maxwell a d'abord construit des modèles du champ électrique, le plaçant dans un milieu spécial semblable à un liquide, qui est incompressible, sans inertie et coule, connaissant une résistance. Plus tard, l'éther lui a été fixé comme médium, qui remplit tout l'espace et imprègne tous les corps lourds. Cette idée a été largement utilisée par Thomson, sous l'influence scientifique duquel Maxwell était. De là, son champ est devenu une zone de l'éther, directement reliée à l'électricité et phénomènes magnétiques: "... Un champ électromagnétique est la partie de l'espace qui contient et entoure des corps qui sont dans un état électrique ou magnétique."

Extravagance du courant de polarisation. Les notions de champ et d'éther ont joué un rôle décisif dans la compréhension de l'élément central de la théorie - l'hypothèse du courant de déplacement. Dans les expériences de Faraday, des effets ont été observés à une grande distance de l'électricité traversant un conducteur. La même explication était requise par le fait du passage courant alternatifà travers un isolant séparant les deux armatures du condensateur. En reconnaissance d'une nouvelle espèce courant électrique des considérations de symétrie pourraient jouer leur rôle - le courant de conduction est complété par le courant de déplacement. Mais comment le mouvement de ce dernier est-il possible ? Et c'est là que l'éther est entré en jeu. Comme un chef d'orchestre, c'est un corps qui n'a qu'une grande raréfaction et perméabilité. Les propriétés élastiques de l'éther permettent à la variable champ électrique aller et venir, c'est-à-dire fluctuer. C'est le courant de déplacement, qui a la forme d'un processus oscillatoire ondulatoire et se propage dans l'éther à l'extérieur des conducteurs. Tout comme le courant de conduction, il peut générer un champ magnétique. Selon la loi de l'induction, un champ magnétique alternatif crée un champ électrique alternatif. Avec sa théorie, Maxwell a approuvé l'interaction complète : tout champ électrique alternatif, basé soit sur un courant de conduction, soit sur un courant de déplacement, génère un champ magnétique. Il existe une symétrie des influences mutuelles des champs dynamiques, qui constitue la nature unifiée du champ électromagnétique.

La lumière comme champ électromagnétique. La théorie de Maxwell a aidé à mieux comprendre l'essence de la lumière. Depuis l'Antiquité, il existe une hypothèse corpusculaire (corpusculum latin - corps), selon laquelle la lumière est un flux de très petites particules en mouvement rectiligne. Selon une autre hypothèse, la lumière est une onde de très petite longueur. Au début du XIXème siècle. E. Jung et O. Fresnel ont présenté des arguments convaincants en faveur de l'hypothèse des vagues. Des mesures ont établi que la vitesse de la lumière est d'environ 300 000 km/s.

Le champ électromagnétique n'est pas que de la lumière. Selon la théorie de Maxwell, les ondes électromagnétiques se propagent également à une vitesse de 300 000 km/s. La coïncidence des vitesses et la théorie ondulatoire de la lumière ont incité le scientifique à attribuer la lumière aux processus électromagnétiques. La théorie de la lumière comme alternance successive de champs électriques et magnétiques expliquait non seulement bien des faits anciens, mais prédisait aussi des phénomènes inconnus. En plus de la lumière visible, il devrait y avoir des rayons infrarouges, ultraviolets et d'autres types d'ondes. La lumière doit aussi exercer une certaine pression sur la matière.

Détection expérimentée ondes électromagnétiques . La théorie de Maxwell a été publiée en 1873 dans un Traité sur l'électricité et le magnétisme. Presque tous les physiciens étaient sceptiques à ce sujet, l'hypothèse du courant de déplacement a provoqué un rejet particulier. Il n'y avait pas d'idées aussi exotiques dans les théories de Weber et de Helmholtz. Dans cette situation, des preuves d'expériences décisives étaient nécessaires, et elles ont eu lieu. En 1887, un physicien allemand G. Hertz (1857-1894) créé un générateur d'ondes électromagnétiques et effectué leur réception. Ainsi, un mystérieux « courant de polarisation » a été découvert, ce qui a ouvert la perspective d'une nouvelle pratique (radio, télévision). En 1895, le physicien allemand V.K. Roentgen a découvert un nouveau rayonnement appelé rayons X et s'est avéré être des ondes électromagnétiques avec une fréquence supérieure à rayonnement ultraviolet. En 1900, un scientifique russe PN Lebedev (1866-1912)à travers un très expériences subtiles découvert la pression des ondes lumineuses et mesuré sa magnitude. Toute cette pratique scientifique indiquait sans ambiguïté la théorie de Maxwell comme une véritable image de la nature.

La matière est matière et champ électromagnétique. En raison de sa nature fondamentale, la théorie de Maxwell a considérablement influencé l'image scientifique de la nature. Le monopole à long terme de l'idée de matière s'est effondré et, à travers le concept de champ électromagnétique, l'idée de champ physique a commencé à se former comme espèce indépendante question. Le programme de découverte de l'unité de la nature a reçu un résultat remarquable - l'ancienne différence entre l'électricité et le magnétisme a cédé la place à un processus électromagnétique unique. Maxwell a démontré la grande puissance heuristique de l'hypothèse mathématique et a fourni un exemple de la synthèse des mathématiques avec la physique. La nouvelle électrodynamique est devenue le couronnement de la physique classique.

Tâches.

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Déjà dans le monde antique, les penseurs réfléchissaient à la nature et à l'essence de l'espace et du temps. Certains des philosophes ont nié la possibilité de l'existence d'un espace vide ou, comme ils le disent, de la non-existence. Il s'agissait de représentants de l'école éléatique de La Grèce ancienne - Parménide et Zénon. D'autres philosophes, dont Démocrite, ont soutenu que le vide existe, comme les atomes, et qu'il est nécessaire à leurs mouvements et à leurs connexions.

Jusqu'au XVIe siècle, le système géocentrique de Ptolémée dominait dans les sciences naturelles. C'était le premier modèle mathématique universel du monde, dans lequel le temps était infini et l'espace était fini, y compris un uniforme circulation de rond-point corps célestes autour de la terre au repos. Un changement radical dans l'image physique spatiale et entière s'est produit dans le système héliocentrique du monde, représenté par Copernic. Reconnaissant la mobilité de la Terre, il a rejeté toutes les idées préexistantes sur son unicité en tant que centre de l'Univers et a ainsi orienté le mouvement de la pensée scientifique vers la reconnaissance de l'infinité et de l'infinité de l'espace. Cette idée a été développée dans la philosophie Giordano Bruno, qui a conclu que l'univers est infini et n'a pas de centre.

Un rôle important dans le développement des idées sur l'espace a été joué par les Galilée le principe d'inertie. Selon ce principe, tous les phénomènes physiques (mécaniques) se produisent de la même manière dans tous les systèmes se déplaçant uniformément et rectilignement avec une vitesse constante en amplitude et en direction.

Le développement ultérieur du concept d'espace et de temps est associé à l'image physique et cosmique du monde R. Descartes. Il l'a fondée sur l'idée que tous les phénomènes naturels s'expliquent par l'action mécanique de particules élémentaires de matière. Descartes a représenté l'impact lui-même sous la forme d'une pression ou d'un impact lorsque les particules entrent en contact les unes avec les autres et a ainsi introduit l'idée en physique courte portée.

Une nouvelle image physique du monde a été présentée dans la mécanique classique I. Newton. Il a dessiné une image harmonieuse du système planétaire, a donné une théorie quantitative rigoureuse du mouvement planétaire. Le summum de sa mécanique était la théorie de la gravité, qui proclamait la loi universelle de la nature - loi de la gravité. Selon cette loi, deux corps quelconques s'attirent avec une force directement proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Cette loi s'exprime par la formule suivante :

où: k- constante gravitationnelle ; m1, m2- masses gravitaires ; r- la distance qui les sépare.

Cette loi ne dit rien sur la dépendance de la gravité au temps. La force de gravité, purement mathématiquement, peut être appelée à longue portée, il relie instantanément les corps en interaction et son calcul ne nécessite aucune hypothèse sur le support qui transmet l'interaction.

Après avoir étendu la loi de la gravitation à tout l'Univers, Newton a également envisagé sa structure possible. Il est arrivé à la conclusion que l'univers est infini. Seulement dans ce cas, il peut contenir de nombreux objets spatiaux - des centres de gravité. Dans le cadre du modèle newtonien de l'Univers, l'idée d'un espace infini, dans lequel se trouvent des objets cosmiques reliés par gravité, a été établie. La découverte des lois fondamentales de l'électro- et de la magnétostatique qui suivirent dans la seconde moitié du XVIIIe siècle, similaires sous forme mathématique à la loi de la gravitation universelle, confirma encore dans l'esprit des scientifiques l'idée de forces à longue portée qui ne dépendent que de la distance, mais pas du temps.

Le tournant vers les idées d'action à courte portée est associé aux idées de Faraday et Maskwell, qui a développé le concept du champ électromagnétique en tant que réalité physique indépendante. Le point de départ pour cela était la reconnaissance de l'interaction à courte portée et du taux fini de transmission de toute interaction.

La conclusion selon laquelle le champ électromagnétique de l'onde se détache de la décharge et peut exister et se propager indépendamment dans l'espace semblait absurde. Maxwell lui-même cherchait obstinément à dériver ses équations de propriétés mécaniqueséther. Mais lorsque Hertz a découvert expérimentalement l'existence d'ondes électromagnétiques, cela a été considéré comme une preuve décisive de la validité de la théorie de Maxwell. L'action instantanée à longue portée a été remplacée par l'action à courte portée transmise à une vitesse finie.

L'action proche est une représentation selon laquelle l'interaction entre des corps éloignés les uns des autres s'effectue à l'aide d'un milieu intermédiaire (champ) et s'effectue à une vitesse finie. Au début du XVIIIe siècle, simultanément à la théorie de l'action à courte portée, est née la théorie inverse de l'action à longue portée, selon laquelle les corps agissent les uns sur les autres sans intermédiaires, à travers le vide, à n'importe quelle distance, et ainsi de suite. l'interaction s'effectue à une vitesse infiniment élevée (mais obéit à certaines lois). Un exemple d'action à longue portée peut être considéré comme la force de gravitation universelle dans la théorie classique de la gravité de I. Newton.

M. V. Lomonosov est considéré comme l'un des fondateurs de la théorie de l'action à courte portée. Lomonossov était un adversaire de la théorie à long terme, estimant qu'un corps ne peut pas agir instantanément sur d'autres corps. Il croyait que l'interaction électrique est transmise d'un corps à l'autre à travers un milieu spécial "l'éther" qui remplit tout l'espace vide, en particulier l'espace entre les particules qui composent la "matière lourde", c'est-à-dire la substance. phénomènes électriques, selon Lomonossov, doivent être considérés comme certains mouvements microscopiques se produisant dans l'éther. Il en va de même pour les phénomènes magnétiques.

Cependant, les idées théoriques de Lomonosov et L. Euler ne pouvaient pas être développées à cette époque. Après la découverte de la loi de Coulomb, qui dans sa forme était la même que la loi de la gravitation universelle, la théorie de l'action à longue portée supplante complètement la théorie de l'action à courte portée. Et ce n'est qu'au début du XIXe siècle que M. Faraday a relancé la théorie de l'action à courte portée. Selon Faraday, charges électriques ne s'affectent pas directement les uns les autres. Chacun d'eux crée des champs électriques et magnétiques (s'il se déplace) dans l'espace environnant. Les champs d'une charge agissent sur une autre et vice versa. La reconnaissance générale de la théorie de l'action à courte portée commence dans la seconde moitié du XIXe siècle, après la preuve expérimentale de la théorie de J. Maxwell, qui a réussi à donner aux idées de Faraday une forme quantitative exacte, si nécessaire en physique - une système d'équations du champ électromagnétique.

Une différence importante entre la théorie de l'action à courte portée et la théorie de l'action à longue portée est la présence vitesse de pointe propagation des interactions (champs, particules) - la vitesse de la lumière. Dans la physique moderne, il existe une division claire de la matière en particules-participants (ou sources) d'interactions (appelées matière) et particules-porteuses d'interactions (appelées champ). Parmi les quatre types d'interactions fondamentales, trois ont reçu une vérification expérimentale fiable de l'existence de particules porteuses : les interactions fortes, faibles et électromagnétiques. Actuellement, des tentatives sont faites pour détecter les porteurs d'interaction gravitationnelle - le soi-disant

Grâce aux recherches et réalisations d'Oersted, Faraday, Maxwell, Hertz, Popov, il a été démontré que la matière existe non seulement sous forme de matière, mais aussi sous forme de champ. La reconnaissance de la réalité du champ électromagnétique signifiait la victoire en physique notions de proximité sur la norme au 19ème siècle. concept à long terme. Examinons l'essence de ces concepts.

Longue portée et courte portée - des concepts opposés, conçus pour expliquer caractère général interactions d'objets physiques.

Immédiatement après la découverte par Newton de la loi de la gravitation universelle, puis après la découverte par Coulomb de la loi de l'interaction électrostatique des charges, des questions philosophiques se sont posées : pourquoi les corps physiques ayant une masse agissent-ils les uns sur les autres à distance à travers l'espace vide, et pourquoi les corps chargés interagissent-ils ? même dans un environnement électriquement neutre ? Avant l'introduction du concept de champ, il n'y avait pas de réponses satisfaisantes à ces questions. Pendant longtemps, on a cru que l'interaction entre les corps pouvait s'effectuer directement à travers l'espace vide, qui ne participe pas au transfert d'interaction et le transfert d'interaction se produit donc instantanément. Cette hypothèse est l'essence du concept longue portée permettant d'agir hors du temps et de l'espace. Après Newton, ce concept devient large utilisation en physique, bien que Newton lui-même ait compris que les forces à longue portée introduites par lui (par exemple, la gravitation) ne sont qu'un dispositif formel permettant de donner une description correcte des phénomènes observés dans une certaine mesure.

Dans la recherche sur l'électricité et le magnétisme, le concept d'action à longue portée, peu de temps avant les recherches de Faraday, a vaincu l'idée dominante Longtemps le concept mécaniste d'interaction étroite, selon lequel les corps en interaction doivent se toucher. Cette victoire a conduit à un certain nombre de théories et de lois importantes (loi de Coulomb, électrodynamique d'Ampère). Cependant, au milieu du XIXe siècle. l'idée de la nécessité d'abandonner l'action à longue portée en électrodynamique, la reconnaissance du principe de l'action à courte portée et la vitesse finie de propagation des perturbations électromagnétiques ont commencé à envahir l'esprit des scientifiques (Gauss, Riemann), mais personne, sauf Maxwell, n'a développé cette idée et l'a amenée au niveau d'une théorie scientifique.

Concept courte portée stipule que tout impact sur des objets matériels ne peut être transmis que d'un point donné de l'espace au point voisin le plus proche et sur une période de temps finie. Dans la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell, il a été prouvé que l'interaction des corps chargés électriquement n'est pas instantanée, mais avec une vitesse finie égale à la vitesse de la lumière dans le vide - 300000km/s.

Ainsi, le développement du concept de champ physique a contribué au renforcement du concept d'interaction à courte portée, qui s'étend non seulement à l'électromagnétisme, mais également à d'autres types d'interactions.

Développement des concepts d'espace et de temps dans la théorie de la relativité restreinte

Dans l'image mécaniste du monde, les concepts espace et temps indépendamment des propriétés de la matière en mouvement. L'espace y agissait comme une sorte de réceptacle pour les corps en mouvement, et le temps comme un paramètre dont le signe peut être inversé. Une autre caractéristique de l'image mécaniste du monde est que l'espace et le temps en tant que formes de l'existence de la matière sont étudiés séparément et séparément, de sorte que leur connexion n'est pas établie.

Le principe de relativité

Lorsque l'image mécaniste du monde dominait dans les sciences naturelles et qu'il y avait une tendance à réduire l'explication de tous les phénomènes naturels aux lois de la mécanique, principe de relativité, formulée par Galilée dans le cadre de la mécanique classique, ne faisait l'objet d'aucun doute. La situation a radicalement changé lorsque les physiciens se sont attaqués à l'étude des phénomènes électriques, magnétiques et optiques. Maxwell a réuni tous ces phénomènes dans le cadre d'une théorie électromagnétique unifiée. A cet égard, la question s'est naturellement posée : le principe de relativité est-il aussi valable pour les phénomènes électromagnétiques ?

En 1905, le mathématicien et physicien français A. Poincaré (1854-1912) a formulé le principe de relativité comme une loi physique générale, qui est également valable pour les phénomènes mécaniques et électromagnétiques. Selon ce principe, les lois des phénomènes physiques doivent être les mêmes aussi bien pour un observateur au repos que pour un observateur dans un état de repos uniforme. mouvement rectiligne. Basée sur le principe de la relativité, une nouvelle théorie physique de l'espace et du temps s'est développée - .

A. Poincaré a été le premier à suggérer que le principe d'égalité de tous les systèmes de coordonnées inertiels devrait également s'appliquer aux phénomènes électromagnétiques, c'est-à-dire Le principe de relativité s'applique à tous les phénomènes naturels. Cela a conduit à la nécessité de reconsidérer le concept de espace et temps. Cependant, Poincaré n'en a pas indiqué la nécessité. Cela a été fait pour la première fois par A. Einstein (1979–1955).

Théorie restreinte de la relativité- une théorie physique qui considère l'espace et le temps comme des formes étroitement liées de l'existence de la matière. La théorie restreinte de la relativité a été créée en 1905-1908. travaux de H. Lorentz, A. Poincaré, A. Einstein et G. Minkowski basés sur l'analyse de données expérimentales liées à l'optique et phénomènes électromagnétiques, qui se généralisent par les postulats suivants :

· principe de relativité selon laquelle toutes les lois de la nature doivent être les mêmes dans tous systèmes inertiels référence;

· principe de constance de la vitesse de la lumière, selon laquelle la vitesse de la lumière dans le vide est la même dans tous les référentiels inertiels et ne dépend pas du mouvement des sources lumineuses et des récepteurs.

Le principe de relativité dans la formulation d'Einstein est une généralisation du principe de relativité de Galilée, formulé uniquement pour mouvement mécanique. Ce principe découle de toute une série d'expériences relatives à l'électrodynamique et à l'optique des mobiles.

Les expériences exactes de Michelson dans les années 80 du XIXe siècle. ont montré que lors de la propagation des ondes électromagnétiques, les vitesses ne s'additionnent pas. Par exemple, si le long du sens de circulation d'un train dont la vitesse est égale à v1, envoyer un signal lumineux à une vitesse v2, proche de la vitesse de la lumière dans le vide, alors la vitesse du signal par rapport à la plate-forme est inférieure à la somme v1+v2 et ne peut généralement pas dépasser la vitesse de la lumière dans le vide. Vitesse de propagation signal lumineux ne dépend pas de la vitesse de la source lumineuse. Ce fait est entré en conflit avec le principe de relativité de Galilée.

Le principe de la constance de la vitesse de la lumière peut, par exemple, être vérifié en mesurant la vitesse de la lumière des côtés opposés du Soleil en rotation : un bord du Soleil se déplace toujours vers nous, et l'autre dans la direction opposée. Malgré le mouvement de la source, la vitesse de la lumière dans le vide est toujours la même et égale à s=300000 km/s.

Ces deux principes se contredisent du point de vue des grandes idées de la physique classique.

Un dilemme se pose : le rejet soit du principe de constance de la vitesse de la lumière, soit du principe de relativité. Le premier principe a été établi si précisément et sans ambiguïté qu'il serait manifestement injustifié de le refuser, et de plus, il est lié à une complication excessive de la description des processus de la nature. Des difficultés non moindres surgissent lorsque le principe de relativité est nié dans le domaine des processus électromagnétiques.

La contradiction apparente entre le principe de relativité et la loi de la constance de la vitesse de la lumière vient du fait que la mécanique classique, selon Einstein, reposait sur "deux hypothèses injustifiées":

l'intervalle de temps entre deux événements ne dépend pas de l'état de mouvement du référentiel ;

Distance spatiale entre deux points corps solide ne dépend pas de l'état de mouvement du référentiel.

Sur la base de ces hypothèses apparemment assez évidentes, la mécanique classique admettait tacitement que les valeurs de l'intervalle de temps et de la distance avaient des valeurs absolues, c'est-à-dire ne dépendent pas de l'état de mouvement du corps de référence. Il s'est avéré que si une personne dans une voiture en mouvement uniforme passe, par exemple, sur une distance de 1 mètre en une seconde, elle passera également le même chemin par rapport à la plate-forme en une seconde. De même, on croyait que les dimensions spatiales des corps dans les cadres de référence au repos et en mouvement restaient les mêmes. Et bien que ces hypothèses du point de vue de la conscience ordinaire et du bon sens semblent aller de soi, elles ne sont néanmoins pas en accord avec les résultats d'expériences soigneusement menées confirmant les conclusions de la nouvelle théorie restreinte de la relativité.

3.4.2. Transformation de Lorentz

Einstein, en travaillant sur la théorie restreinte de la relativité, n'a pas abandonné le principe de relativité, mais, au contraire, lui a donné plus Forme générale. En même temps, il était nécessaire de transformer radicalement la compréhension de l'espace et du temps, en un mot, de créer une nouvelle théorie changements dans les relations spatio-temporelles entre les objets.

Considérons à quelles conditions les transformations de coordonnées spatiales et temporelles doivent satisfaire dans le passage d'un référentiel à un autre. Si l'on accepte l'hypothèse de la mécanique classique sur le caractère absolu des distances et du temps, alors les équations de transformation, appelées transformation galiléenne, auront la forme suivante :

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

Cependant, la reconnaissance du principe de la constance de la vitesse de la lumière a nécessité le remplacement de la transformation galiléenne par d'autres formules qui ne contredisent pas ce principe. Einstein a montré qu'une telle transformation, qui ne contredit pas le principe de constance de la vitesse, est ce que l'on appelle Transformation de Lorentz, du nom du physicien hollandais H. A. Lorenz (1853–1928).

Dans le cas où un référentiel se déplace par rapport à l'autre uniformément et rectilignement le long de l'axe des x X, les formules de la transformation de Lorentz, y compris la transformation du temps, ont la forme :

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 ,

où v est la vitesse de déplacement du système de coordonnées (x',y',z') par rapport au système de coordonnées (x, y, z),  c est la vitesse de la lumière.

Sur la base des transformations de Lorentz, il est facile de vérifier qu'une règle rigide se déplaçant dans le sens de sa longueur sera plus courte qu'une règle fixe, et plus elle se déplace rapidement. En effet, en utilisant la première équation de la transformation de Lorentz, on obtient que la longueur de la règle mobile par rapport au référentiel fixe l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, où l 0 - la longueur de la règle dans le référentiel associé à la règle.

Mécanique relativiste

Théorie restreinte de la relativité originaire de électrodynamique et n'a guère changé son contenu, mais en revanche il a considérablement simplifié sa construction théorique, c'est-à-dire dérivation des lois et, surtout, réduit le nombre d'hypothèses indépendantes qui la sous-tendent.

Avec mécanique classique le cas est quelque peu différent. Afin d'être cohérente avec les postulats de la théorie restreinte de la relativité, la mécanique classique a besoin de quelques changements. Ces changements concernent principalement les lois des mouvements rapides, c'est-à-dire mouvement comparable à la vitesse de la lumière. Dans des conditions terrestres ordinaires, nous rencontrons des vitesses bien inférieures à la vitesse de la lumière, et donc les corrections que la théorie de la relativité exige d'apporter sont extrêmement faibles et dans de nombreux cas peuvent pratiquement être négligées.

Nouvelle mécanique basée sur Le principe de relativité restreinte d'Einstein, qui est une combinaison du principe de relativité avec l'énoncé sur la finitude de la vitesse maximale de propagation de l'interaction, est appelée mécanique relativiste.

Les principales conclusions de la mécanique relativiste sont les affirmations selon lesquelles la masse d'un corps m, sa longueur je et la durée de l'événement Dt dépendent de la valeur du rapport de la vitesse du corps và la vitesse de la lumière c et sont définis par les formules :

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,

où m 0 , l 0 , Dt 0 sont la masse du corps, sa longueur et la durée de l'événement dans le référentiel associé au corps.

Par exemple, si deux vaisseaux spatiaux sont dans un état de mouvement relatif, alors un observateur sur chacun des vaisseaux verra l'autre vaisseau se rétrécir dans la direction du mouvement, et les astronautes perdront du poids et se déplaceront lentement. Tous les phénomènes à mouvements périodiques sembleront être ralentis - le mouvement d'un pendule, l'oscillation des atomes, etc. A vitesse normale, ces changements sont extrêmement faibles : la Terre, qui tourne autour du Soleil à une vitesse 30km/h, apparaîtrait à un observateur au repos par rapport au Soleil réduite de quelques centimètres seulement. Lorsque les vitesses relatives sont très grandes, les changements deviennent significatifs.

En plus des changements de longueur et de temps, la mécanique relativiste donne changement de masse relativiste .

La masse d'un corps, déterminée en mesurant la force nécessaire pour imprimer une accélération donnée au corps, est appelée masse d'inertie. Pour un observateur en vaisseau spatial et au repos par rapport à un objet, la masse inertielle de cet objet reste la même quelle que soit la vitesse du navire v et s'appelle la masse au repos. La masse inertielle de cet objet pour un observateur sur Terre est appelée la masse relativiste et dépend de la vitesse relative de l'observateur et de l'objet d'observation. Lorsque la vitesse d'un corps se rapproche de la vitesse de la lumière, sa masse croît indéfiniment et, à la limite, se rapproche de l'infini. Par conséquent, selon la théorie de la relativité, un mouvement avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière est impossible.

De la mécanique relativiste, on peut déduire la loi de la relation entre la masse et l'énergie, qui joue un rôle fondamental dans Physique nucléaire:

E \u003d mc 2,

où m- masse corporelle, E- son énergie.

La vérification expérimentale des principales conclusions de la mécanique relativiste est utilisée pour étayer la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, qui est confirmée quotidiennement dans les laboratoires des atomistes travaillant avec des particules se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Des mouvements avec des vitesses comparables à la vitesse de la lumière ont été observés pour la première fois sur l'exemple des électrons, puis d'autres particules élémentaires. Des expériences soigneusement conçues avec de telles particules ont en effet confirmé les prédictions de la relativité restreinte selon lesquelles leur masse augmente avec une vitesse croissante.

A vitesse normale v<< c la mécanique relativiste passe dans la mécanique classique de Newton. Il suffit, par exemple, de constater que même à la vitesse du satellite terrestre, qui est d'environ 8km/s, la correction de la masse sera d'environ un deux milliardième de celle-ci. En 1928, le physicien anglais P. Dirac a combiné la théorie restreinte de la relativité et la mécanique quantique (mécanique des microparticules) en mécanique quantique relativiste décrivant le mouvement des microparticules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière.