Interakcija snovi - neodtujljiva lastnina snov, ki deluje kot vzrok za gibanje snovi.

Temeljne interakcije- različne, nereducibilne vrste interakcij elementarni delci in iz njih sestavljena telesa.

Obstajajo štiri vrste interakcij:

1. Gravitacijska interakcija - odgovorna za interakcijo med telesi, ki imajo maso. Odločilno je v mega svetu – svetu planetov, zvezd, galaksij.

2. Elektromagnetna interakcija – odgovorna za interakcije med električno nabitimi delci in telesi. Bistvenega pomena v makrokozmosu in atomskih pojavih. Določa strukturo in lastnosti atomov in molekul.

3. Močna interakcija – odgovorna za interakcijo med kvarki in hadroni, za povezavo nukleonov v jedru. V mikrokozmosu je odločilen.

4. Šibka interakcija – odgovorna za druge vrste interakcij med elementarnimi delci – vse vrste beta razpada jeder, procesi interakcije nevtrinov s snovjo, za številne razpade elementarnih delcev. Manifestira se v mikrokozmosu.

Racionalistični svetovni nazor predvideva, da ima vsak dogodek materialni vzrok: vpliv materialnega telesa (teles). Zato vsak program racionalne razlage okoliškega sveta vključuje ideje o mehanizmih interakcije materialnih predmetov.

Koncept bližine domneva, da je interakcija možna le ob neposrednem stiku medsebojno delujočih predmetov, vsako dejanje na daljavo se mora s končno hitrostjo prenašati preko materialnih posrednikov, tako imenovanih nosilcev interakcije.

Koncept dolgega dosega domneva, da interakcija materialnih teles ne zahteva materialnega posrednika in se lahko prenese takoj.

Koncept tesnega delovanja je predstavil Aristotel, ki je bil prepričan, da na svetu ni praznine. Posledično je med katerima koli medsebojno delujočima telesoma številna druga telesa, ki mejijo drug na drugega, ki prenašajo interakcijo z neposrednim stikom.

V 17. stoletju koncept delovanja kratkega dosega je razvil Rene Descartes. V Descartesovi mehaniki pride do interakcije le s pritiskom ali udarcem, t.j. ko pridejo telesa v stik.

Koncept delovanja na dolge razdalje je bil zasleden v atomistični teoriji Demokrita in Leucippa, saj se je interakcija med atomi prenašala skozi praznino.

V mehanski sliki sveta, katerega ustanovitelj je bil Isaac Newton, je bil sprejet koncept delovanja na dolge razdalje, medtem ko je veljalo, da je delovanje enega telesa na drugo vedno delovanje drugega na prvo, torej interakcija.

IN konec XIX v nastal nova ideja- ideja o polju, katerega glavna vloga je prenos interakcije. Michael Faraday je prišel na idejo o elektro magnetno polje, ki prenaša interakcijo med elektrifikacijo prevodnikov in magnetizacijo snovi. Maxwell je to idejo razvil in matematično formaliziral. V to smer, v središču elektromagnetne znanstvene slike sveta je koncept bližine. Mehanizem za prenos interakcije z uporabo polja je naslednji. Telo, ki sodeluje v interakciji, ustvarja okoli sebe polje, ki zavzema območje prostora s polmerom enak polmeru interakcije. Druga telesa ne sodelujejo neposredno s prvim telesom, temveč s poljem, ki ga ustvari na točkah, kjer se nahajajo. Sprememba stanja enega od medsebojno delujočih teles povzroči motnjo ustvarjenega polja, ki se širi v obliki vala, doseže druga telesa in šele nato se njihovo stanje začne spreminjati. Poleg elektromagnetnega polja, ki nosi elektromagnetne interakcije, elektromagnetna slika sveta upošteva tudi gravitacijsko polje – nosilca gravitacijskih sil.

IN sodobno slikarstvo mir prejeta ideja o terenu nadaljnji razvoj. Mehanizem interakcije na terenu je bil določen v mehanizem kvantnega polja. Z vidika sodobne fizike so vse oblike obstoja materije diskretne. Motnje polja - vala - v skladu s korpuskularno-valovnim dualizmom lahko hkrati obravnavamo kot niz delcev - kvantov polja. Zato se interakcija, ki jo prenaša polje, obravnava kot proces izmenjave kvantov polja med medsebojno delujočimi telesi in delci snovi. Kvanti, ki se izmenjujejo med medsebojno delujočimi telesi, niso navadni delci, ampak virtualni delci. Virtualni delci se razlikujejo po tem, da jih med njihovim obstojem ni mogoče zaznati. O njihovem obstoju in lastnostih je mogoče soditi le posredno – po moči prenesene interakcije. Nemogoče je neposredno registrirati virtualni delec. Navideznega fotona na primer ni mogoče registrirati z vizualnim občutkom na mrežnici. Opis mehanizma interakcije v jeziku izmenjave virtualnih delcev ne izključuje, ampak dopolnjuje klasičen opis v jeziku polj in valov. Tako se je izkazalo, da je koncept dolgotrajnega delovanja v znanosti popolnoma zavržen.

Od dolgega do kratkega dosega: teorija elektromagnetno polje.

Ideja o enotnosti različnih naravnih sil in njena empirična potrditev. Na začetku XIX stoletja. začenjajo se postavljati temelji teorije elektrike in magnetizma. Ideološka ideja o enotnosti naravnih sil je pri tem igrala pomembno vlogo. Tu je začel danski fizik H. C. Oersted (1777-1851), ki je doktoriral iz filozofije. Njegovo pozornost je pritegnila ideja nemškega naravnega filozofa F. Schellinga o medsebojnem vplivu naravnih sil. Leta 1813 je znanstvenik postavil težavo - odkriti povezavo med "voltaično elektriko" in magnetizmom. Rešitev je prišla leta 1820, ko je bilo odkrito, da električni tok ustvarja magnetno polje okoli prevodnika, ki vpliva na magnetno iglo. Leta 1821 Francoz A. M. Ampère (1775-1836) ugotovili, da se dva vodnika, ki sta vzporedna drug z drugim z električnim tokom, obnašata kot dva magneta: če gresta tokovi v isto smer, se vodnika privlačita, v nasprotnih smereh pa odbijata. angleški fizik M. Faraday (1791-1867) postavil problem inverzne povezave: ali lahko magnetno polje ustvari tok v prevodniku? Leta 1831 je ugotovil, da se tok pojavi v prevodniku, ki je nameščen v izmeničnem magnetnem polju. Tako je bil odkrit pojav elektromagnetne indukcije.

Vse te empirične zakone je združila matematična teorija nemškega fizika W. E. Weber (1804-1891). Temeljil je na zamisli o silah dolgega dosega, ki so povezane z Newtonovim gravitacijska sila, ki ne potrebuje vmesnega okolja in deluje takoj. Newtonova avtoriteta v fizični skupnosti je bila tako visoka, da so znanstveniki slepo sledili njegovemu pozivu »ne izmišljati hipotez« o mehanizmu delovanja sil. In vendar so bile izjeme, predvsem v osebi Faradaya.

Faraday je kot registrator v tiskarni samostojno študiral fiziko in ta strast ga je pripeljala do znanosti. Kot vernik je bil prepričan v razmerje med električnimi in magnetnimi pojavi, saj je »narava ena od Boga«. Nekonvencionalno razmišljanje samouka in talent za eksperimentiranje sta ga naredila za znanstvenika svetovnega razreda. Zapletene matematike svojega časa ni obvladal, zato je vso svojo moč posvetil poskusom in razumevanju njihovih rezultatov. Ideja o dolgotrajnem delovanju, ki je prevladovala na univerzitetnih oddelkih, ni vplivala na Faradayev um. Poleg tega so ga različni poskusi prepričali o delovanju električnih in magnetnih sil kratkega dosega. V zvezi s tem so se posebej izpostavila dejstva o gibanju prevodnikov (železni opilki v bližini magneta, žice in vezja s tokom itd.)

Za elektriko in magnetizem je delovanje kratkega dosega univerzalno. Faradayjevo inovativno razmišljanje je predvidevalo ideološke premike v fizični sliki narave. Newtonova ideja o delovanju na dolge razdalje je imela pozitivno vlogo pri oblikovanju zakona gravitacija. V odsotnosti potrebna dejstva in pravo matematiko, ni dovolila, da bi se znanstveniki zanesli pri gradnji prezgodnjih špekulativnih modelov gravitacije. Toda v prvi polovici XIX stoletja. stanje se je začelo spreminjati. Fizika je postala dovzetna za kartezijanske ideje o gibanju različnih materialnih predmetov, mediji, ki delujejo kot nosilci sil kratkega dosega. V optiki se je Newtonov koncept umaknil valovni teoriji svetlobe z modelom nihanja eteričnega medija. IN kinetična teorija toplota se je pojavila v obliki gibanja atomov in molekul snovi. Mehanika kontinuuma je prispevala tudi k oživljanju kartezijanskih idej. Znanstveniki z izostreno intuicijo so prvi začutili potrebo po spremembah. Ja, nemški raziskovalec TO. F. Gauss (1777-1855) in njegov učenec B. Riemann je predlagal, da elektrodinamične sile ne delujejo takoj, ampak s končno hitrostjo, enako hitrosti svetlobe. Poleg tega je do sredine XIX stoletja. oblikovali matematične metode v obliki diferencialnih enačb v delnih izpeljankah. Ta aparat je postal potreben za uresničitev ideje o delovanju kratkega dosega. Številne enačbe hidrodinamike in termodinamike so se izkazale za primerne za elektrodinamiko. V 40-50-ih letih. Na dnevnem redu je bil problem ustvarjanja elektrodinamike po principu delovanja kratkega dosega, ki ga je rešil Maxwell.

Faradayjevi empirični zakoni so prevedeni v jezik matematike. Maxwell je kot izhodišče vzel Faradayeve empirične posplošitve. Svojo glavno nalogo je videl v tem, da jim da ustrezno matematično obliko. To delo se je izkazalo za daleč od formalnega, saj je prevajanje empiričnih slik v jezik matematike zahtevalo posebno ustvarjalnost. Tako je Faraday, analizirajoč elektromagnetno indukcijo, predstavil idejo o "elektrotonskem stanju", kjer sprememba magnetnega polja povzroči vrtinec električno polje.

Polje in eter. Iz Faradayeve zapuščine je Maxwell prevzel tudi načelo delovanja kratkega dosega in idejo polja. Med seboj so se dopolnjevali, saj se mora delovanje kratkega dosega odvijati v materialnem neprekinjenem mediju in polje deluje prav v tem mediju. Res je, Faraday je polje razumel v nedogled in je medij obravnaval kot nekaj podobnega plinastemu mediju. In ni naključje, da je Maxwell sprva zgradil modele električnega polja in ga postavil v poseben tekočini podoben medij, ki je nestisljiv, brez vztrajnosti in teče ter doživlja upor. Kasneje mu je bil eter fiksiran kot medij, ki zapolnjuje ves prostor in prežema vsa tehtna telesa. To idejo je široko uporabljal Thomson, pod čigar znanstvenim vplivom je bil Maxwell. Od tu je njegovo polje postalo območje etra, neposredno povezano z električnim in magnetni pojavi: "... Elektromagnetno polje je tisti del prostora, ki vsebuje in obdaja telesa, ki so v električnem ali magnetnem stanju."

Ekstravaganca toka pristranskosti. Ideje o polju in etru so imele odločilno vlogo pri razumevanju osrednjega elementa teorije - hipoteze o tokovnem premikanju. V Faradayjevih poskusih so opazili učinke na veliki razdalji od elektrike, ki teče skozi prevodnik. Enako razlago je zahtevalo dejstvo odlomka izmenični tok skozi izolator, ki ločuje obe plošči kondenzatorja. V znak priznanja nove vrste električni tok premisleki o simetriji bi lahko odigrali svojo vlogo - prevodni tok se dopolnjuje s premičnim tokom. Kako pa je gibanje slednjega možno? In tu je nastopil eter. Tako kot prevodnik je telo le z veliko redkostjo in prepustnostjo. Elastične lastnosti etra omogočajo spremenljivko električno polje premikati naprej in nazaj, torej nihati. To je premični tok, ki ima obliko valovnega nihajnega procesa in se širi v etru izven prevodnikov. Tako kot prevodni tok lahko ustvari magnetno polje. Po zakonu indukcije izmenično magnetno polje ustvari izmenično električno polje. Maxwell je s svojo teorijo odobril popolno interakcijo: vsako izmenično električno polje, ki temelji bodisi na prevodnem ali na premičnem toku, ustvarja magnetno polje. Obstaja simetrija medsebojnih vplivov dinamičnih polj, ki predstavlja enotno naravo elektromagnetnega polja.

Svetloba kot elektromagnetno polje. Maxwellova teorija je pomagala bolje razumeti bistvo svetlobe. Že od antičnih časov je obstajala korpuskularna (latinsko corpusculum - telo) hipoteza, ki je trdila, da je svetloba tok pravolinijsko gibljivih, zelo majhnih delcev. Po drugi predpostavki je svetloba val z zelo majhno dolžino. Na začetku XIX stoletja. E. Jung in O. Fresnel sta predstavila prepričljive argumente v prid hipotezi o valovih. Meritve so pokazale, da je hitrost svetlobe približno 300.000 km/s.

Elektromagnetno polje ni samo svetloba. Po Maxwellovi teoriji se elektromagnetno valovanje širi tudi s hitrostjo 300.000 km/s. Naključje hitrosti in valovna teorija svetlobe je znanstvenika spodbudilo, da je svetlobo pripisal elektromagnetnim procesom. Teorija svetlobe kot zaporednega menjavanja električnih in magnetnih polj ni le dobro razložila starih dejstev, ampak je napovedala tudi neznane pojave. Poleg vidne svetlobe morajo biti infrardeče, ultravijolično sevanje in druge vrste valov. Svetloba mora izvajati tudi določen pritisk na snov.

Izkušeno odkrivanje elektromagnetnih valov . Maxwellova teorija je bila objavljena leta 1873 v Traktatu o elektriki in magnetizmu. Skoraj vsi fiziki so bili do tega skeptični, posebno zavrnitev je povzročila hipoteza o toku premika. Tako eksotičnih idej v teorijah Webra in Helmholtza ni bilo. V tej situaciji so bili potrebni dokazi o odločilnih poskusih, ki so se zgodili. Leta 1887 nemški fizik G. Hertz (1857-1894) ustvaril generator elektromagnetnih valov in izvedel njihov sprejem. Tako je bil odkrit skrivnostni »tok pristranskosti«, ki je odprl možnost nove prakse (radio, televizija). Leta 1895 je nemški fizik V.K. Roentgen je odkril novo sevanje, imenovano rentgenski žarki, in izkazalo se je, da gre za elektromagnetno valovanje s frekvenco, višjo od ultravijolično sevanje. Leta 1900 ruski znanstvenik P. N. Lebedev (1866-1912) skozi zelo subtilni eksperimenti odkril pritisk svetlobnih valov in izmeril njegovo velikost. Vsa ta znanstvena praksa je nedvoumno kazala na Maxwellovo teorijo kot na pravo podobo narave.

Materija je snov in elektromagnetno polje. Maxwellova teorija je zaradi svoje temeljne narave pomembno vplivala na znanstveno sliko narave. Dolgoročni monopol ideje o snovi se je podrl in skozi koncept elektromagnetnega polja se je začela oblikovati ideja fizičnega polja kot neodvisne vrste zadeva. Program odkrivanja enotnosti narave je dobil izjemen rezultat - nekdanja razlika med elektriko in magnetizmom se je umaknila enemu samemu elektromagnetnemu procesu. Maxwell je pokazal visoko hevristično moč matematične hipoteze in podal primer sinteze matematike s fiziko. Nova elektrodinamika je postala krona klasične fizike.

Naloge.

1. Kateri trendi so bili značilni za razvoj biologije od 16. do 19. stoletja?

2. Zakaj odkritje D. I. Mendelejeva periodični zakon velja za revolucijo v kemiji?

3. Katere ideološke zaključke smo potegnili iz zakona o ohranjanju energije?

4. Zakaj so mahisti in energenti kritizirali atomistiko?

5. Ali je mogoče prepoznati statistično pravilnost s pozicije laplasovega determinizma?

6. Katere nove ideje je prinesla Maxwellova elektrodinamika?

100 r bonus za prvo naročilo

Izberite vrsto dela Diplomsko delo Tečajno delo Povzetek magistrske naloge Poročilo o praksi Članek Pregled poročila Test Monografija Reševanje problemov Poslovni načrt Odgovori na vprašanja ustvarjalno delo Esej Risanje Sestavki Prevod Predstavitve Tipkanje Drugo Povečanje unikatnosti besedila Kandidatsko delo Laboratorijsko delo Pomoč na spletu

Vprašajte za ceno

Že v antičnem svetu so misleci razmišljali o naravi in ​​bistvu prostora in časa. Nekateri filozofi so zanikali možnost obstoja praznega prostora ali, kot so rekli, neobstoja. To so bili predstavniki eleatske šole v Antična grčija - Parmenid in Zenon. Drugi filozofi, vključno z Demokritom, so trdili, da praznina obstaja, kot atomi, in je potrebna za njihova gibanja in povezave.

Do 16. stoletja je v naravoslovju prevladoval geocentrični sistem Ptolomeja. To je bil prvi univerzalni matematični model sveta, v katerem je bil čas neskončen, prostor pa končen, vključno z uniformo. Krožišče Circulation nebesna telesa okoli mirujoče zemlje. V heliocentričnem sistemu sveta se je zgodila korenita sprememba prostorske in celotne fizične slike, ki jo predstavlja Kopernik. Ob priznavanju mobilnosti Zemlje je zavrnil vse že obstoječe ideje o njeni edinstvenosti kot središču vesolja in s tem usmeril gibanje znanstvene misli k spoznanju neskončnosti in neskončnosti prostora. Ta ideja je bila razvita v filozofiji Giordano Bruno, ki je zaključil, da je vesolje neskončno in nima središča.

Pomembno vlogo pri razvoju idej o prostoru je igral odprt Galileo načelo vztrajnosti. Po tem načelu se vsi fizikalni (mehanski) pojavi pojavljajo na enak način v vseh sistemih, ki se gibljejo enakomerno in pravokotno s konstantno hitrostjo po velikosti in smeri.

Nadaljnji razvoj koncepta prostora in časa je povezan s fizično in kozmično sliko sveta R. Descartes. Zasnoval ga je na ideji, da so vsi naravni pojavi razloženi z mehanskim delovanjem elementarnih materialnih delcev. Descartes je sam udarec predstavil v obliki pritiska ali udarca, ko delci pridejo v stik med seboj in tako vnesel idejo v fiziko blizu.

V klasični mehaniki je bila predstavljena nova fizična slika sveta I. Newton. Narisal je harmonično sliko planetarnega sistema, podal strogo kvantitativno teorijo gibanja planetov. Vrhunec njegove mehanike je bila teorija gravitacije, ki je razglasila univerzalni zakon narave - zakon gravitacije. Po tem zakonu se kateri koli telesi privlačita s silo, ki je neposredno sorazmerna njuni masi in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima.

Ta zakon je izražen z naslednjo formulo:

kje: k- gravitacijska konstanta; m1, m2- gravitacijske mase; r- razdalja med njima.

Ta zakon ne govori ničesar o odvisnosti gravitacije od časa. Silo gravitacije, čisto matematično, lahko imenujemo dolga, v trenutku poveže medsebojno delujoča telesa in njegov izračun ne zahteva nobenih predpostavk o mediju, ki prenaša interakcijo.

Ko je zakon gravitacije razširil na celotno vesolje, je Newton razmislil tudi o njegovi možni strukturi. Prišel je do zaključka, da je vesolje neskončno. Samo v tem primeru lahko vsebuje veliko vesoljskih objektov - težišč. V okviru Newtonovega modela vesolja se je uveljavila ideja o neskončnem prostoru, v katerem so kozmični objekti, ki so med seboj povezani s silo gravitacije. Odkritje osnovnih zakonov elektro- in magnetostatike, ki je sledilo v drugi polovici 18. stoletja, ki je v matematični obliki podobno zakonu univerzalne gravitacije, je v glavah znanstvenikov dodatno potrdilo idejo o silah dolgega dosega, ki odvisno samo od razdalje, ne pa od časa.

Obrat k idejam delovanja kratkega dosega je povezan z idejami Faradaya in Maskwella, ki je razvil koncept elektromagnetnega polja kot samostojne fizične realnosti. Izhodišče za to je bilo prepoznavanje interakcije kratkega dosega in končne hitrosti prenosa vseh interakcij.

Ugotovitev, da se valovno elektromagnetno polje odcepi od razelektritve in lahko samostojno obstaja in se širi v vesolju, se je zdel absurden. Sam Maxwell je trmasto poskušal izpeljati svoje enačbe mehanske lastnosti eter. Ko pa je Hertz eksperimentalno odkril obstoj elektromagnetnih valov, je bilo to vzeto kot odločilni dokaz veljavnosti Maxwellove teorije. Mesto takojšnjega delovanja na dolge razdalje je zavzelo delovanje kratkega dosega, ki se prenaša s končno hitrostjo.

Tesno delovanje je predstavitev, po kateri se interakcija med telesi, oddaljenimi drug od drugega, izvaja s pomočjo vmesnega medija (polja) in poteka s končno hitrostjo. V začetku 18. stoletja se je hkrati s teorijo delovanja kratkega dosega rodila nasprotna teorija delovanja na dolge razdalje, po kateri telesa delujejo druga na drugo brez posrednikov, skozi praznino, na poljubno razdaljo in tako naprej. interakcija poteka z neskončno veliko hitrostjo (vendar upošteva določene zakone). Primer delovanja na dolge razdalje lahko štejemo za silo univerzalne gravitacije v klasični teoriji gravitacije I. Newtona.

M. V. Lomonosov velja za enega od utemeljiteljev teorije delovanja kratkega dosega. Lomonosov je bil nasprotnik teorije dolgega dosega, saj je verjel, da telo ne more takoj delovati na druga telesa. Verjel je, da se električna interakcija prenaša od telesa do telesa skozi poseben medij "eter", ki zapolnjuje ves prazen prostor, zlasti prostor med delci, ki sestavljajo "težno snov", to je snov. električni pojavi, po Lomonosovu, je treba obravnavati kot nekatera mikroskopska gibanja, ki se pojavljajo v etru. Enako velja za magnetne pojave.

Vendar teoretičnih idej Lomonosova in L. Eulerja takrat ni bilo mogoče razviti. Po odkritju Coulombovega zakona, ki je bil po svoji obliki enak zakonu univerzalne gravitacije, je teorija delovanja na dolge razdalje popolnoma izpodrinila teorijo delovanja kratkega dosega. In šele na začetku 19. stoletja je M. Faraday obudil teorijo delovanja kratkega dosega. Po besedah ​​​​Faradayja, električni naboji ne vplivajo neposredno drug na drugega. Vsak od njih ustvarja električna in magnetna (če se premika) polja v okoliškem prostoru. Polja enega naboja delujejo na drugega in obratno. Splošno priznavanje teorije delovanja kratkega dosega se začne v drugi polovici 19. stoletja, po eksperimentalnem dokazu teorije J. Maxwella, ki je uspel Faradayevim idejam dati natančno kvantitativno obliko, tako potrebno v fiziki - a sistem enačb elektromagnetnega polja.

Pomembna razlika med teorijo delovanja kratkega dosega in teorijo delovanja na dolgi doseg je prisotnost najvišja hitrostširjenje interakcij (polj, delcev) - hitrost svetlobe. V sodobni fiziki obstaja jasna delitev snovi na delce-udeležence (ali vire) interakcij (imenovane materija) in delce-nosilce interakcij (imenovano polje). Od štirih vrst temeljnih interakcij so trije prejele zanesljivo eksperimentalno potrditev obstoja nosilnih delcev: močne, šibke in elektromagnetne interakcije. Trenutno se poskušajo odkriti nosilci gravitacijske interakcije - t.i

Zahvaljujoč raziskavam in dosežkom Oersteda, Faradaya, Maxwella, Hertza, Popova se je pokazalo, da materija ne obstaja le v obliki materije, ampak tudi v obliki polja. Prepoznavanje realnosti elektromagnetnega polja je pomenilo zmago v fiziki koncepti blizu nad standardom v 19. stoletju. koncept dolgega dosega. Poglejmo si bistvo teh konceptov.

Dolge in kratke razdalje - nasprotna pojma, zasnovana za razlago splošni značaj interakcije fizičnih predmetov.

Takoj po Newtonovem odkritju zakona univerzalne gravitacije in nato po Coulombovem odkritju zakona o elektrostatičnem medsebojnem delovanju nabojev so se pojavila filozofska vprašanja: zakaj fizična telesa z maso delujejo drug na drugega na daljavo skozi prazen prostor in zakaj nabita telesa medsebojno delujejo. tudi skozi električno nevtralno okolje? Pred uvedbo koncepta polja na ta vprašanja ni bilo zadovoljivih odgovorov. Dolgo časa je veljalo, da se interakcija med telesi lahko izvaja neposredno skozi prazen prostor, ki ne sodeluje pri prenosu interakcije in se prenos interakcije tako zgodi takoj. Ta predpostavka je bistvo koncepta dolge dosege omogoča delovanje zunaj časa in prostora. Po Newtonu ta koncept dobi široka uporaba v fiziki, čeprav je Newton sam razumel, da so sile dolgega dosega, ki jih je uvedel (na primer gravitacija), le formalna naprava, ki omogoča opis opazovanih pojavov, ki je do neke mere pravilen.

V raziskavah elektrike in magnetizma je koncept delovanja na dolgi doseg tik pred Faradayjevo raziskavo premagal prevladujoče dolgo časa mehanistični koncept tesne interakcije, po katerem se morajo medsebojno delujoča telesa dotikati. Ta zmaga je privedla do številnih pomembnih teorij in zakonov (Coulombov zakon, Amperova elektrodinamika). Vendar pa je do sredine XIX stoletja. Zamisel o potrebi po opustitvi delovanja na dolge dosege v elektrodinamiki, priznavanju načela delovanja kratkega dosega in končne hitrosti širjenja elektromagnetnih motenj je začela prevladovati v mislih znanstvenikov (Gauss, Riemann), vendar nihče razen Maxwella ni razvil te ideje in jo pripeljal na raven znanstvene teorije.

Koncept kratkega dosega trdi, da se vsak vpliv na materialne objekte lahko prenese le od določene točke v prostoru do najbližje sosednje točke in v končnem časovnem obdobju. V Maxwellovi teoriji elektromagnetizma je bilo dokazano, da interakcija električno nabitih teles ni trenutna, ampak s končno hitrostjo, ki je enaka hitrosti svetlobe v vakuumu - 300000 km/s.

Tako je razvoj koncepta fizičnega polja prispeval k krepitvi koncepta interakcije kratkega dosega, ki se ne razširi le na elektromagnetne, temveč tudi na druge vrste interakcij.

Razvoj pojmov prostora in časa v posebni teoriji relativnosti

V mehanistični sliki sveta so koncepti prostor in čas obravnavane ne glede na lastnosti gibljive snovi. Prostor je v njem deloval kot nekakšna posoda za premikajoča se telesa, čas pa kot parameter, katerega predznak je mogoče obrniti. Druga značilnost mehanistične slike sveta je, da se v njej prostor in čas kot obliki obstoja materije proučujeta ločeno in ločeno, zaradi česar njuna povezava ni vzpostavljena.

Načelo relativnosti

Ko je v naravoslovju prevladovala mehanistična slika sveta in se je pojavila težnja, da se razlaga vseh naravnih pojavov reducira na zakone mehanike, načelo relativnosti, ki ga je oblikoval Galileo v okviru klasične mehanike, ni bil podvržen nobenemu dvomu. Razmere so se dramatično spremenile, ko so se fiziki lotili preučevanja električnih, magnetnih in optičnih pojavov. Maxwell je vse te pojave združil v okviru enotne elektromagnetne teorije. V zvezi s tem se je seveda pojavilo vprašanje: ali načelo relativnosti velja tudi za elektromagnetne pojave?

Leta 1905 je francoski matematik in fizik A. Poincaré (1854–1912) oblikoval načelo relativnosti kot splošni fizikalni zakon, ki velja tudi za mehanske in elektromagnetne pojave. Po tem načelu morajo biti zakoni fizikalnih pojavov enaki tako za opazovalca v mirovanju kot za opazovalca v enotnem stanju pravolinijsko gibanje. Na podlagi načela relativnosti se je razvila nova fizikalna teorija prostora in časa - .

A. Poincaré je prvi predlagal, da bi načelo enakosti vseh inercialnih koordinatnih sistemov veljalo tudi za elektromagnetne pojave, t.j. Načelo relativnosti velja za vse naravne pojave. To je privedlo do potrebe po ponovnem preučitvi koncepta prostor in čas. Vendar Poincare ni nakazal potrebe po tem. Prvi je to storil A. Einstein (1979–1955).

Posebna teorija relativnosti- fizikalna teorija, ki obravnava prostor in čas kot tesno povezani obliki obstoja materije. Posebna teorija relativnosti je nastala v letih 1905-1908. dela H. Lorentza, A. Poincaréja, A. Einsteina in G. Minkowskega, ki temeljijo na analizi eksperimentalnih podatkov, povezanih z optičnimi in elektromagnetni pojavi, ki so posplošeni z naslednjimi postulati:

· načelo relativnosti po katerem morajo biti vsi zakoni narave v vseh enaki inercialnih sistemov referenca;

· načelo konstantnosti svetlobne hitrosti, po katerem je hitrost svetlobe v vakuumu enaka v vseh inercialnih referenčnih okvirih in ni odvisna od gibanja svetlobnih virov in sprejemnikov.

Načelo relativnosti v Einsteinovi formulaciji je posplošitev Galilejevega načela relativnosti, oblikovanega samo za mehansko gibanje. To načelo izhaja iz cele vrste eksperimentov, ki se nanašajo na elektrodinamiko in optiko gibljivih teles.

Michelsonovi natančni poskusi v 80-ih letih XIX stoletja. pokazala, da se med širjenjem elektromagnetnih valov hitrosti ne seštevajo. Na primer, če vzdolž smeri gibanja vlaka, katerega hitrost je enaka v1, pošlje svetlobni signal s hitrostjo v2, blizu hitrosti svetlobe v vakuumu, potem je hitrost signala glede na platformo manjša od vsote v1+v2 in na splošno ne more preseči hitrosti svetlobe v vakuumu. Hitrost širjenja svetlobni signal ni odvisna od hitrosti svetlobnega vira. To dejstvo je prišlo v nasprotju z Galilejevim načelom relativnosti.

Načelo konstantnosti svetlobne hitrosti lahko na primer preverimo z merjenjem svetlobne hitrosti z nasprotnih strani vrtečega se Sonca: en rob Sonca se vedno premika proti nam, drugi pa v nasprotni smeri. Kljub gibanju vira je hitrost svetlobe v vakuumu vedno enaka in enaka s=300000 km/s.

Ta dva principa si nasprotujeta z vidika glavnih idej klasične fizike.

Pojavila se je dilema: zavrnitev bodisi načela konstantnosti svetlobne hitrosti bodisi načela relativnosti. Prvo načelo je vzpostavljeno tako natančno in nedvoumno, da bi ga bilo očitno neupravičeno zavrniti, poleg tega pa bi vključevalo pretirano zapletenost opisa naravnih procesov. Nič manj težav nastane, ko se načelo relativnosti zanika na področju elektromagnetnih procesov.

Navidezno protislovje med načelom relativnosti in zakonom konstantnosti svetlobne hitrosti nastane, ker se je klasična mehanika po Einsteinu opirala na "dve neupravičeni hipotezi":

časovni interval med dvema dogodkoma ni odvisen od stanja gibanja referenčnega okvira;

Prostorska razdalja med dvema točkama trdno telo ni odvisna od stanja gibanja referenčnega okvirja.

Na podlagi teh na videz povsem očitnih hipotez je klasična mehanika tiho priznala, da imajo vrednosti časovnega intervala in razdalje absolutne vrednosti, tj. niso odvisni od stanja gibanja referenčnega telesa. Izkazalo se je, da če oseba v enakomerno premikajočem se avtomobilu prevozi na primer razdaljo 1 meter v eni sekundi, potem bo v eni sekundi prehodil tudi isto pot glede na cestno plast. Podobno je veljalo, da prostorske dimenzije teles v mirujočih in gibljivih referenčnih okvirih ostajajo enake. In čeprav se te domneve z vidika običajne zavesti in zdrave pameti zdijo samoumevne, se kljub temu ne strinjajo z rezultati skrbno izvedenih eksperimentov, ki potrjujejo zaključke nove, posebne teorije relativnosti.

3.4.2. Lorentzova transformacija

Einstein, ko je delal na posebni teoriji relativnosti, ni opustil načela relativnosti, ampak mu je, nasprotno, dal več splošna oblika. Hkrati je bilo treba korenito preoblikovati razumevanje prostora in časa, z eno besedo, ustvariti temeljno nova teorija spremembe v prostorsko-časovnih razmerjih med objekti.

Razmislimo, katere pogoje morajo izpolnjevati transformacije prostorskih koordinat in časa pri prehodu iz enega referenčnega okvira v drugega. Če sprejmemo predpostavko klasične mehanike o absolutni naravi razdalj in časa, bodo transformacijske enačbe, imenovane Galilejeva transformacija, imele naslednjo obliko:

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

Vendar pa je priznanje načela konstantnosti svetlobne hitrosti zahtevalo zamenjavo Galilejeve transformacije z drugimi formulami, ki niso v nasprotju s tem načelom. Einstein je pokazal, da je takšna transformacija, ki ni v nasprotju z načelom konstantnosti hitrosti, t.i. Lorentzova transformacija, poimenovan po nizozemskem fiziku H. A. Lorenzu (1853–1928).

V primeru, ko se en referenčni okvir giblje glede na drugega enakomerno in pravokotno vzdolž osi x X, formule za Lorentzovo transformacijo, vključno s transformacijo časa, imajo obliko:

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 ,

kje v je hitrost gibanja koordinatnega sistema (x',y',z') glede na koordinatni sistem (x,y,z),  c je svetlobna hitrost.

Na podlagi Lorentzove transformacije je enostavno preveriti, da bo togo ravnilo, ki se giblje v smeri svoje dolžine, krajše od mirujočega in krajše je, hitreje se premika. Dejansko z uporabo prve enačbe Lorentzove transformacije dobimo, da je dolžina premikajočega se ravnila glede na fiksni referenčni okvir l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, kje l 0 - dolžina ravnila v referenčnem sistemu, povezanem z ravnilom.

Relativistična mehanika

Posebna teorija relativnosti izviralo iz elektrodinamika in malo spremenila njeno vsebino, po drugi strani pa je bistveno poenostavila njeno teoretično konstrukcijo, t.j. izpeljavo zakonov in, kar je najpomembneje, zmanjšalo število neodvisnih hipotez, na katerih temelji.

IZ klasična mehanika zadeva je nekoliko drugačna. Da bi bila skladna s postulati posebne teorije relativnosti, mora klasična mehanika nekaj spremeniti. Te spremembe zadevajo predvsem zakone hitrih gibanj, tj. gibanje, ki je primerljivo s svetlobno hitrostjo. V običajnih zemeljskih pogojih naletimo na hitrosti, ki so veliko nižje od svetlobne hitrosti, zato so popravki, ki jih zahteva relativnostna teorija, izjemno majhni in jih je v mnogih primerih mogoče praktično zanemariti.

Nova mehanika, ki temelji na Einsteinovo posebno načelo relativnosti, ki je kombinacija načela relativnosti s trditvijo o končnosti največje hitrosti širjenja interakcije, se imenuje relativistična mehanika.

Glavni zaključki relativistične mehanike so trditve, da je masa telesa m, njegova dolžina l in trajanje dogodka Dt odvisno od vrednosti razmerja hitrosti telesa v na svetlobno hitrost c in jih definirajo formule:

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,

kje m 0 , l 0 , Dt 0 so masa telesa, njegova dolžina in trajanje dogodka v referenčnem okviru, povezanem s telesom.

Na primer, če sta dve vesoljski plovili v stanju relativnega gibanja, bo opazovalec na vsaki od ladij videl, da se druga ladja skrči v smeri gibanja, astronavti pa bodo shujšali in se počasi premikali. Zdi se, da so vsi pojavi s periodičnimi gibi upočasnjeni - gibanje nihala, nihanje atomov itd. Pri normalnih hitrostih so te spremembe izjemno majhne: Zemlja, ki se s hitrostjo giblje okoli Sonca 30 km/h, bi se opazovalcu v mirovanju glede na Sonce zdelo zmanjšano le za nekaj centimetrov. Ko so relativne hitrosti zelo velike, postanejo spremembe pomembne.

Poleg sprememb dolžine in časa daje relativistična mehanika relativistična sprememba mase .

Masa telesa, določena z merjenjem sile, ki je potrebna za dajanje določenega pospeška telesu, se imenuje inercialna masa. Za opazovalca v vesoljska ladja in v mirovanju glede na neki predmet, vztrajna masa tega predmeta ostane enaka ne glede na hitrost ladje v in se imenuje masa mirovanja. Inercialna masa tega predmeta za opazovalca na Zemlji se imenuje relativistična masa in je odvisna od relativne hitrosti opazovalca in predmeta opazovanja. Ko se hitrost telesa približa svetlobni, njegova masa raste v nedogled in se v meji približuje neskončnosti. Zato je po teoriji relativnosti gibanje s hitrostjo, ki presega svetlobno, nemogoče.

Iz relativistične mehanike lahko izpeljemo zakon razmerja med maso in energijo, ki ima temeljno vlogo pri jedrska fizika:

E \u003d mc 2,

kje m- telesna masa, E- njegovo energijo.

Eksperimentalno preverjanje glavnih zaključkov relativistične mehanike se uporablja za utemeljitev Einsteinove posebne teorije relativnosti, ki jo dnevno potrjujejo v laboratorijih atomskih znanstvenikov, ki delajo z delci, ki se gibljejo s hitrostmi blizu svetlobne hitrosti. Gibanja s hitrostmi, primerljivimi s svetlobno hitrostjo, smo prvič opazili na primeru elektronov, nato pa še drugih elementarnih delcev. Skrbno zasnovani poskusi s takšnimi delci so res potrdili napovedi posebne relativnosti, da njihova masa narašča z naraščajočo hitrostjo.

Pri normalnih hitrostih v<< c relativistična mehanika prehaja v Newtonovo klasično mehaniko. Zadostuje, na primer, ugotoviti, da tudi pri hitrosti zemeljskega satelita, ki je približno 8 km/s, bo popravek mase znašal približno eno milijardo. Leta 1928 je angleški fizik P. Dirac združil posebno teorijo relativnosti in kvantno mehaniko (mehanika mikrodelcev) v relativistična kvantna mehanika ki opisujejo gibanje mikrodelcev s hitrostmi, ki so blizu svetlobni.