Interaktion av materia - omistlig egendom materia, som fungerar som orsaken till materiens rörelse.

Grundläggande interaktioner- olika, icke-reducerbara typer av interaktion elementarpartiklar och de kroppar som består av dem.

Det finns fyra typer av interaktion:

1. Gravitationsinteraktion - ansvarig för interaktionen mellan kroppar som har massa. Det är avgörande i megavärlden - världen av planeter, stjärnor, galaxer.

2. Elektromagnetisk interaktion - ansvarig för interaktionerna mellan elektriskt laddade partiklar och kroppar. Väsentligt i makrokosmos och atomfenomen. Bestämmer strukturen och egenskaperna hos atomer och molekyler.

3. Stark interaktion - ansvarig för interaktionen mellan kvarkar och hadroner, för kopplingen av nukleoner i kärnan. Det är avgörande i mikrokosmos.

4. Svag växelverkan - ansvarig för andra typer av växelverkan mellan elementarpartiklar - alla typer av beta-sönderfall av kärnor, processer av interaktion mellan neutriner och materia, för många sönderfall av elementarpartiklar. Det visar sig i mikrokosmos.

Den rationalistiska världsbilden förutsätter att varje händelse har en materiell orsak: påverkan av den materiella kroppen (kropparna). Därför innehåller varje program för rationell förklaring av omvärlden idéer om mekanismerna interaktioner materiella föremål.

Begreppet nära håll förutsätter att interaktion är möjlig endast med direkt kontakt av interagerande objekt, måste all verkan på avstånd överföras genom materiella mediatorer, de så kallade interaktionsbärarna, med en ändlig hastighet.

Långt räckvidd koncept förutsätter att växelverkan mellan materiella kroppar inte kräver en materiell mellanhand och kan överföras omedelbart.

Begreppet nära handling fördes fram av Aristoteles, som var övertygad om att det inte finns någon tomhet i världen. Följaktligen finns det mellan två samverkande kroppar ett antal andra kroppar intill varandra, vilka överför interaktion genom direkt kontakt.

På 1600-talet konceptet med kortdistanshandling utvecklades av Rene Descartes. I Descartes mekanik sker interaktion endast genom tryck eller stötar, d.v.s. när kroppar kommer i kontakt.

Begreppet långdistansverkan spårades i den atomistiska teorin om Democritus och Leucippus, eftersom interaktionen mellan atomer överfördes genom tomrummet.

I den mekaniska bilden av världen, vars grundare var Isaac Newton, antogs begreppet långdistanshandling, medan man trodde att en kropps verkan på en annan alltid är den andras verkan på den första, det vill säga interaktion.

PÅ sent XIX i. uppstod ny idé- idén om ett fält, vars huvudroll är överföringen av interaktion. Michael Faraday kom på idén om elektro magnetiskt fält, som överför interaktionen under elektrifieringen av ledare och magnetiseringen av ett ämne. Maxwell utvecklade och formaliserade matematiskt denna idé. Således, i hjärtat av den elektromagnetiska vetenskapliga bilden av världen ligger begreppet nära avstånd. Mekanismen för att överföra interaktion med hjälp av ett fält är följande. Kroppen som deltar i interaktionen skapar ett fält runt sig, som upptar ett område av rymden med en radie lika med radien interaktioner. Andra kroppar interagerar inte direkt med den första kroppen, utan med det fält som skapas av den vid de punkter där de är belägna. En förändring i tillståndet för en av de interagerande kropparna orsakar en störning av fältet som skapas av den, som fortplantar sig i form av en våg, når andra kroppar, och först då börjar deras tillstånd att förändras. Tillsammans med det elektromagnetiska fältet, som bär elektromagnetiska interaktioner, beaktar den elektromagnetiska bilden av världen också gravitationsfältet - bäraren av gravitationskrafter.

PÅ samtida måleri fred fältidé mottagen ytterligare utveckling. Fältinteraktionsmekanismen specificerades i kvantfältsmekanism. Ur modern fysiks synvinkel är alla former av materias existens diskreta. Fältets störning - en våg - enligt korpuskulär-vågsdualismen, kan samtidigt betraktas som en uppsättning partiklar - fältkvanta. Därför betraktas interaktionen som fältet bär som en process för att utbyta fältkvanta mellan interagerande kroppar och materiapartiklar. Kvanta som utbyts mellan interagerande kroppar är inte vanliga partiklar, utan virtuella partiklar. Virtuella partiklar skiljer sig åt genom att det är omöjligt att upptäcka dem under deras existens. Deras existens och egenskaper kan endast bedömas indirekt - utifrån styrkan i den överförda interaktionen. Det är omöjligt att registrera en virtuell partikel direkt. Till exempel kan en virtuell foton inte registreras genom visuell sensation på näthinnan. Beskrivningen av mekanismen för interaktion på språket för utbyte av virtuella partiklar utesluter inte, men kompletterar klassisk beskrivning i fältens och vågornas språk. Således visade sig begreppet långdistansåtgärder inom vetenskapen vara helt förkastat.

Från lång räckvidd till kort räckvidd: teori elektromagnetiskt fält.

Idén om enheten av olika naturkrafter och dess empiriska bekräftelse. I början av XIX-talet. grunden för teorin om elektricitet och magnetism börjar läggas. Den ideologiska idén om naturens krafters enhet spelade en viktig roll här. Dansk fysiker började här H. C. Oersted (1777-1851), som tog sin doktorsexamen i filosofi. Hans uppmärksamhet uppmärksammades på den tyske naturfilosofen F. Schellings idé om naturkrafternas ömsesidiga inflytande. År 1813 ställde vetenskapsmannen ett problem - att ta reda på sambandet mellan "voltaisk elektricitet" och magnetism. Lösningen kom 1820, då man upptäckte att en elektrisk ström skapar ett magnetfält runt en ledare, vilket påverkar magnetnålen. 1821 en fransman A. M. Ampère (1775-1836) fann att två ledare parallella med varandra med en elektrisk ström beter sig som två magneter: om strömmarna går åt samma håll, så drar ledarna till sig, i fallet med motsatta riktningar, stöter de bort. engelsk fysiker M. Faraday (1791-1867) ställde problemet med omvänd relation: kan ett magnetfält generera en ström i en ledare? 1831 konstaterade han att en ström uppträder i en ledare placerad i ett växelmagnetiskt fält. Således upptäcktes fenomenet elektromagnetisk induktion.

Alla dessa empiriska lagar förenades av den tyska fysikerns matematiska teori W. E. Weber (1804-1891). Det baserades på idén om långdistanskrafter, som är relaterade till Newtonian gravitationskraften, som inte behöver en mellanmiljö och agerar omedelbart. Newtons auktoritet i fysiksamhället var så hög att forskare blint följde hans uppmaning "att inte uppfinna hypoteser" om krafternas verkningsmekanism. Och ändå fanns det undantag, främst i Faradays person.

Faraday arbetade som pärm på ett tryckeri och studerade självständigt fysik och denna passion ledde honom till vetenskapen. Som troende var han säker på förhållandet mellan elektriska och magnetiska fenomen, eftersom "naturen är en från Gud." Självlärt okonventionellt tänkande och en talang för experimenterande gjorde honom till en vetenskapsman i världsklass. Han behärskade inte sin tids komplexa matematik, och därför ägnade han all sin kraft åt experiment och förståelse av deras resultat. Idén om långväga åtgärder, som dominerade universitetsavdelningarna, påverkade inte Faradays sinne. Dessutom övertygade olika experiment honom om kortdistansverkan av elektriska och magnetiska krafter. I detta avseende var fakta om ledarnas rörelse särskilt utmärkta (järnspån nära magneten, ledningar och kretsar med ström, etc.)

För elektricitet och magnetism är kortdistansverkan universell. Faradays innovativa tänkande förutsåg ideologiska förändringar i den fysiska bilden av naturen. Newtons idé om långväga åtgärder spelade en positiv roll i lagbildningen allvar. I frånvaro av nödvändiga fakta och korrekt matematik, det tillät inte forskare att ryckas med i konstruktionen av för tidigt spekulativa gravitationsmodeller. Men under första hälften av XIX-talet. situationen började förändras. Fysiken har blivit mottaglig för kartesiska idéer om förflyttning av olika materiella föremål, media som fungerar som bärare av kortdistanskrafter. Inom optiken gav det Newtonska konceptet plats för vågteorin om ljus med modellen för svängningar av det eteriska mediet. PÅ kinetisk teori värme dök upp i form av rörelse av atomer och materiamolekyler. Kontinuummekaniken bidrog också till återupplivandet av kartesiska idéer. Forskare med skarp intuition var de första som kände behovet av förändring. Ja, en tysk forskare Till. F. Gauss (1777-1855) och hans elev B. Riemann föreslog att elektrodynamiska krafter inte verkar omedelbart, utan med en ändlig hastighet lika med ljusets hastighet. Dessutom i mitten av XIX-talet. bildade matematiska metoder i form av differentialekvationer i partiella derivator. Denna apparat blev nödvändig för att förverkliga idén om kortdistansåtgärder. Många ekvationer av hydrodynamik och termodynamik visade sig vara lämpliga för elektrodynamik. På 40-50-talet. problemet med att skapa elektrodynamik baserad på principen om kortdistansåtgärder stod på agendan, och det löstes av Maxwell.

Faradays empiriska lagar översätts till matematikens språk. Maxwell tog Faradays empiriska generaliseringar som sitt utgångsmaterial. Han såg sin huvudsakliga uppgift i att ge dem en lämplig matematisk form. Detta arbete visade sig vara långt ifrån formellt, eftersom översättningen av empiriska bilder till matematikens språk krävde speciell kreativitet. Så, genom att analysera elektromagnetisk induktion, lade Faraday fram idén om ett "elektroniskt tillstånd", där en förändring i magnetfältet orsakar en virvel elektriskt fält.

Fält och eter. Från arvet från Faraday tog Maxwell också principen om kortdistanshandling och idén om ett fält. De kompletterade varandra, eftersom kortdistansverkan måste ske i ett materiellt kontinuerligt medium, och fältet agerar just i detta medium. Det är sant att Faraday förstod fältet i oändlighet och betraktade mediet som något som liknar ett gasformigt medium. Och det är ingen slump att Maxwell först byggde modeller av det elektriska fältet, placerade det i ett speciellt vätskeliknande medium, som är inkompressibelt, tröghetsfritt och flyter, upplever motstånd. Senare fixerades eter som ett medium för honom, som fyller allt utrymme och genomsyrar alla tunga kroppar. Denna idé användes flitigt av Thomson, under vars vetenskapliga inflytande Maxwell var. Härifrån blev hans fält ett område av etern, direkt kopplat till den elektriska och magnetiska fenomen: "... Ett elektromagnetiskt fält är den del av rymden som innehåller och omger kroppar som är i ett elektriskt eller magnetiskt tillstånd."

Extravagans av förspänningsström. Fältets och eterns idéer spelade en avgörande roll för att förstå teorins centrala element - förskjutningsströmhypotesen. I Faradays experiment observerades effekter på stort avstånd från elektricitet som strömmade genom en ledare. Samma förklaring krävdes av passagen växelström genom en isolator som separerar kondensatorns två plattor. Som ett erkännande av en ny art elektrisk ström symmetriöverväganden kan spela sin roll - ledningsströmmen kompletteras med förskjutningsströmmen. Men hur är rörelsen av den senare möjlig? Och det var här eter kom in i bilden. Liksom en ledare är det en kropp med bara stor sällsynthet och permeabilitet. Eterns elastiska egenskaper tillåter variabeln elektriskt fält röra sig fram och tillbaka, det vill säga fluktuera. Detta är förskjutningsströmmen, som har formen av en vågoscillerande process och fortplantar sig i etern utanför ledarna. Precis som ledningsströmmen kan den generera ett magnetfält. Enligt induktionslagen skapar ett växelmagnetiskt fält ett växlande elektriskt fält. Med sin teori godkände Maxwell den fullständiga växelverkan: alla växlande elektriska fält, baserat antingen på en ledningsström eller på en förskjutningsström, genererar ett magnetfält. Det finns en symmetri av ömsesidig påverkan av dynamiska fält, som utgör det elektromagnetiska fältets enhetliga natur.

Ljus som ett elektromagnetiskt fält. Maxwells teori hjälpte till att bättre förstå ljusets väsen. Sedan urminnes tider har det funnits en corpuskulär (latin corpusculum - kropp) hypotes, som angav att ljus är en ström av rätlinjigt rörliga, mycket små partiklar. Enligt ett annat antagande är ljus en våg med mycket liten längd. I början av XIX-talet. E. Jung och O. Fresnel presenterade övertygande argument till förmån för våghypotesen. Mätningar har visat att ljusets hastighet är cirka 300 000 km/s.

Det elektromagnetiska fältet är inte bara ljus. Enligt Maxwells teori utbreder sig även elektromagnetiska vågor med en hastighet av 300 000 km/s. Sammanträffandet av hastigheter och vågteorin om ljus fick forskaren att tillskriva ljus till elektromagnetiska processer. Teorin om ljus som en successiv växling av elektriska och magnetiska fält förklarade inte bara gamla fakta väl, utan förutspådde också okända fenomen. Förutom synligt ljus bör det finnas infraröd, ultraviolett strålning och andra typer av vågor. Ljus måste också utöva ett visst tryck på materia.

Erfaren upptäckt elektromagnetiska vågor . Maxwells teori publicerades 1873 i en avhandling om elektricitet och magnetism. Nästan alla fysiker var skeptiska till det, förskjutningsströmhypotesen orsakade ett speciellt avslag. Det fanns inga sådana exotiska idéer i Webers och Helmholtz teorier. I denna situation krävdes bevis på avgörande experiment, och det ägde rum. 1887 en tysk fysiker G. Hertz (1857-1894) skapade en generator av elektromagnetiska vågor och utförde deras mottagning. Således upptäcktes en mystisk "biasström", som öppnade för en ny praxis (radio, tv). 1895 skrev den tyske fysikern V.K. Röntgen upptäckte en ny strålning som heter röntgen och visade sig vara elektromagnetiska vågor med en frekvens högre än ultraviolett strålning. År 1900 en rysk vetenskapsman P. N. Lebedev (1866-1912) genom en mycket subtila experiment upptäckte trycket från ljusvågor och mätte dess storlek. All denna vetenskapliga praktik pekade otvetydigt på Maxwells teori som en sann bild av naturen.

Materia är materia och elektromagnetiskt fält. På grund av sin grundläggande natur påverkade Maxwells teori avsevärt den vetenskapliga bilden av naturen. Det långsiktiga monopolet på idén om materia kollapsade, och genom begreppet det elektromagnetiska fältet började idén om det fysiska fältet bildas som oberoende arter materia. Programmet för att upptäcka naturens enhet har fått ett anmärkningsvärt resultat - den tidigare skillnaden mellan elektricitet och magnetism har gett vika för en enda elektromagnetisk process. Maxwell visade den höga heuristiska kraften hos den matematiska hypotesen och gav ett exempel på syntesen av matematik med fysik. Den nya elektrodynamiken blev kronan på den klassiska fysiken.

Uppgifter.

1. Vilka trender var utmärkande för biologins utveckling från 1500- till 1800-talen?

2. Varför upptäckten av D. I. Mendeleev periodisk lag betraktas som en revolution inom kemin?

3. Vilka ideologiska slutsatser drogs från lagen om energibevarande?

4. Varför kritiserade machisterna och energetisterna atomistik?

5. Är det möjligt att känna igen en statistisk regelbundenhet från positionen för laplacian determinism?

6. Vilka nya idéer gav Maxwells elektrodynamik?

100 r första beställningsbonus

Välj typ av arbete Examensarbete Kursarbete Sammanfattning Magisteruppsats Rapport om praktik Artikel Rapportgranskning Testa Monografi Problemlösning Affärsplan Svar på frågor kreativt arbete Uppsats Teckning Kompositioner Översättning Presentationer Skriva Annat Öka textens unika karaktär Kandidatens uppsats Laboratoriearbete Hjälp online

Fråga efter pris

Redan i den antika världen tänkte tänkare på rummets och tidens natur och väsen. Några av filosoferna förnekade möjligheten av existensen av ett tomt utrymme eller, som de uttryckte det, icke-existens. Dessa var representanter för Eleatskolan i Antikens Grekland - Parmenides och Zeno. Andra filosofer, inklusive Demokritos, hävdade att tomrummet existerar, som atomer, och är nödvändigt för deras rörelser och förbindelser.

Fram till 1500-talet dominerade det geocentriska systemet Ptolemaios inom naturvetenskapen. Det var den första universella matematiska modellen av världen, där tiden var oändlig och rymden var ändlig, inklusive en enhetlig Cirkulationscirkulation himlakroppar runt den vilande jorden. En radikal förändring i den rumsliga och hela fysiska bilden inträffade i världens heliocentriska system, representerat av Copernicus. Han erkände jordens rörlighet och förkastade alla redan existerande idéer om dess unika egenskap som universums centrum och riktade därigenom rörelsen av vetenskapligt tänkande mot erkännandet av rymdens oändlighet och oändlighet. Denna idé har utvecklats i filosofin Giordano Bruno, som drog slutsatsen att universum är oändligt och inte har något centrum.

En viktig roll i utvecklingen av idéer om rymden spelades av öppen Galileo tröghetsprincipen. Enligt denna princip uppstår alla fysiska (mekaniska) fenomen på samma sätt i alla system som rör sig likformigt och rätlinjigt med en hastighetskonstant i storlek och riktning.

Ytterligare utveckling av begreppet rum och tid är förknippad med den fysiska och kosmiska bilden av världen R. Descartes. Han baserade det på idén att alla naturfenomen förklaras av den mekaniska verkan av elementära materialpartiklar. Samma påverkan som Descartes representerade i form av tryck eller stöt när partiklar kommer i kontakt med varandra och därmed introducerade idén i fysiken nära håll.

En ny fysisk bild av världen presenterades i klassisk mekanik I. Newton. Han ritade en harmonisk bild av planetsystemet, gav en rigorös kvantitativ teori om planetrörelser. Toppen av hans mekanik var teorin om gravitation, som förkunnade den universella naturlagen - tyngdlagen. Enligt denna lag attraherar alla två kroppar varandra med en kraft som är direkt proportionell mot deras massor och omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem.

Denna lag uttrycks med följande formel:

var: k- gravitationskonstant; m1, m2- graviterande massor; r- avståndet mellan dem.

Denna lag säger ingenting om gravitationens beroende av tid. Tyngdkraften, rent matematiskt, kan kallas långväga, den kopplar omedelbart samman de interagerande kropparna och dess beräkning kräver inga antaganden om mediet som överför interaktionen.

Efter att ha utvidgat gravitationslagen till hela universum, övervägde Newton också dess möjliga struktur. Han kom till slutsatsen att universum är oändligt. Endast i det här fallet kan det innehålla många rymdobjekt - tyngdpunkter. Inom ramen för den Newtonska modellen av universum har idén om oändlig rymd, där det finns kosmiska objekt, sammankopplade av tyngdkraften, etablerats. Upptäckten av de grundläggande lagarna för elektro- och magnetostatik som följde under andra hälften av 1700-talet, som i matematisk form liknar lagen om universell gravitation, bekräftade ytterligare i forskarnas sinnen idén om långväga krafter som beror bara på avstånd, men inte på tid.

Vändningen mot idéerna om kortdistanshandling är förknippad med idéerna från Faraday och Maskwell, som utvecklade konceptet om det elektromagnetiska fältet som en oberoende fysisk verklighet. Utgångspunkten för detta var igenkännandet av kortdistansinteraktion och den ändliga överföringshastigheten för eventuella interaktioner.

Slutsatsen att vågens elektromagnetiska fält bryter sig loss från urladdningen och självständigt kan existera och fortplanta sig i rymden verkade absurd. Maxwell själv försökte envist härleda sina ekvationer från mekaniska egenskaper eter. Men när Hertz experimentellt upptäckte förekomsten av elektromagnetiska vågor, togs detta som ett avgörande bevis på giltigheten av Maxwells teori. Platsen för ögonblicklig aktion på lång räckvidd togs av aktion på kort räckvidd som överfördes med en begränsad hastighet.

Nära aktion är en representation enligt vilken växelverkan mellan kroppar på avstånd från varandra utförs med hjälp av ett mellanmedium (fält) och utförs med en ändlig hastighet. I början av 1700-talet, samtidigt med teorin om kortvägsverkan, föddes den motsatta teorin om långvägsverkan, enligt vilken kroppar verkar på varandra utan mellanhänder, genom ett tomrum, på vilket avstånd som helst, och sådant interaktion utförs i oändligt hög hastighet (men följer vissa lagar). Ett exempel på långdistansverkan kan betraktas som den universella gravitationskraften i den klassiska gravitationsteorin av I. Newton.

M. V. Lomonosov anses vara en av grundarna av teorin om kortdistanshandling. Lomonosov var en motståndare till långdistansteorin, och trodde att en kropp inte kan agera på andra kroppar omedelbart. Han trodde att elektrisk interaktion överförs från kropp till kropp genom ett speciellt medium "eter" som fyller allt tomt utrymme, i synnerhet utrymmet mellan partiklarna som utgör "viktig materia", dvs substans. elektriska fenomen, enligt Lomonosov, bör betraktas som vissa mikroskopiska rörelser som förekommer i etern. Detsamma gäller magnetiska fenomen.

Lomonosovs och L. Eulers teoretiska idéer kunde dock inte utvecklas vid den tiden. Efter upptäckten av Coulombs lag, som till sin form var densamma som lagen om universell gravitation, ersätter teorin om långdistansverkan helt teorin om kortdistansverkan. Och först i början av 1800-talet återupplivade M. Faraday teorin om kortdistanshandling. Enligt Faraday, elektriska laddningar inte direkt påverkar varandra. Var och en av dem skapar elektriska och magnetiska (om den rör sig) fält i det omgivande rummet. Fälten för en laddning verkar på en annan och vice versa. Det allmänna erkännandet av teorin om kortdistansverkan börjar under andra hälften av 1800-talet, efter det experimentella beviset på teorin om J. Maxwell, som lyckades ge Faradays idéer en exakt kvantitativ form, så nödvändig inom fysiken - en ekvationssystem för det elektromagnetiska fältet.

En viktig skillnad mellan teorin om kortdistanshandling och teorin om långdistanshandling är närvaron toppfart utbredning av interaktioner (fält, partiklar) - ljusets hastighet. I modern fysik finns det en tydlig uppdelning av materia i partiklar-deltagare (eller källor) av interaktioner (kallad materia) och partiklar-bärare av interaktioner (kallat fält). Av de fyra typerna av grundläggande interaktioner har tre fått tillförlitlig experimentell verifiering av förekomsten av bärarpartiklar: starka, svaga och elektromagnetiska interaktioner. För närvarande görs försök att upptäcka bärare av gravitationsinteraktion – den sk

Tack vare forskningen och prestationerna från Oersted, Faraday, Maxwell, Hertz, Popov visades det att materia inte bara existerar i form av materia, utan också i form av ett fält. Erkännande av det elektromagnetiska fältets verklighet innebar seger i fysiken nära begreppöver standarden på 1800-talet. långdistanskoncept. Låt oss ta en titt på kärnan i dessa begrepp.

Lång räckvidd och kort räckvidd - motsatta begrepp, designade för att förklara allmän karaktär interaktioner mellan fysiska föremål.

Omedelbart efter Newtons upptäckt av lagen om universell gravitation, och sedan efter Coulombs upptäckt av lagen om elektrostatisk interaktion mellan laddningar, uppstod filosofiska frågor: varför fysiska kroppar med massa verkar på varandra på avstånd genom tomma rymden, och varför laddade kroppar interagerar även genom elektriskt neutral miljö? Före införandet av fältkonceptet fanns det inga tillfredsställande svar på dessa frågor. Under lång tid trodde man att interaktionen mellan kroppar kan utföras direkt genom det tomma utrymmet, som inte deltar i överföringen av interaktion och överföringen av interaktion, således sker omedelbart. Detta antagande är kärnan i konceptet lång räckvidd tillåter handling utanför tid och rum. Efter Newton får detta koncept bred användning inom fysiken, även om Newton själv förstod att de långdistanskrafter som han införde (till exempel gravitation) bara är en formell anordning som gör det möjligt att ge en beskrivning av de observerade fenomenen som är korrekt till viss del.

Inom forskning om elektricitet och magnetism besegrade konceptet med långdistansverkan, kort före Faradays forskning, den rådande länge sedan det mekanistiska begreppet nära interaktion, enligt vilket de samverkande kropparna måste beröra. Denna seger ledde till ett antal viktiga teorier och lagar (Coulombs lag, Ampères elektrodynamik). Men i mitten av XIX-talet. idén om behovet av att överge långdistansverkan inom elektrodynamik, erkännandet av principen om kortdistansverkan och den ändliga hastigheten för utbredning av elektromagnetiska störningar började ta över forskarnas sinnen (Gauss, Riemann), men ingen utom Maxwell utvecklade denna idé och förde den till nivån av en vetenskaplig teori.

Begrepp kort avstånd anger att varje påverkan på materiella föremål endast kan överföras från en given punkt i rymden till närmaste angränsande punkt och över en begränsad tidsperiod. I Maxwells teori om elektromagnetism bevisades det att interaktionen mellan elektriskt laddade kroppar inte är ögonblicklig, utan med en ändlig hastighet lika med ljusets hastighet i ett vakuum - 300 000 km/s.

Sålunda bidrog utvecklingen av begreppet det fysiska fältet till att stärka begreppet kortdistansinteraktion, som sträcker sig inte bara till elektromagnetisk, utan även till andra typer av interaktioner.

Utveckling av begreppen rum och tid i den speciella relativitetsteorin

I den mekanistiska bilden av världen, begreppen Plats och tid betraktas oavsett egenskaperna hos rörligt material. Rymden fungerade i den som ett slags behållare för rörliga kroppar, och tiden som en parameter, vars tecken kan vändas. Ett annat särdrag i den mekanistiska bilden av världen är att i den studeras rum och tid som former för materiens existens separat och separat, vilket gör att deras samband inte är etablerat.

Relativitetsprincipen

När den mekanistiska bilden av världen dominerade inom naturvetenskapen och det fanns en tendens att reducera förklaringen av alla naturfenomen till mekanikens lagar, relativitetsprincipen, formulerad av Galileo inom ramen för klassisk mekanik, var inte föremål för några tvivel. Situationen förändrades dramatiskt när fysiker fick grepp om studier av elektriska, magnetiska och optiska fenomen. Maxwell förenade alla dessa fenomen inom ramen för en enhetlig elektromagnetisk teori. I detta avseende uppstod naturligtvis frågan: är relativitetsprincipen giltig även för elektromagnetiska fenomen?

1905 formulerade den franske matematikern och fysikern A. Poincaré (1854–1912) relativitetsprincipen som en allmän fysisk lag som även gäller för mekaniska och elektromagnetiska fenomen. Enligt denna princip måste de fysiska fenomenens lagar vara desamma både för en observatör i vila och för en observatör i enhetligt tillstånd rätlinjig rörelse. Baserat på relativitetsprincipen har en ny fysisk teori om rum och tid utvecklats - .

A. Poincaré var den första som föreslog att principen om likhet för alla tröghetskoordinatsystem även skulle gälla för elektromagnetiska fenomen, d.v.s. Relativitetsprincipen gäller alla naturfenomen. Detta ledde till behovet av att ompröva begreppet Plats och tid. Poincare angav dock inte behovet av detta. Detta gjordes först av A. Einstein (1979–1955).

Särskild relativitetsteori- en fysikalisk teori som betraktar rum och tid som närbesläktade former för materiens existens. Den speciella relativitetsteorin skapades 1905-1908. verk av H. Lorentz, A. Poincaré, A. Einstein och G. Minkowski baserade på analys av experimentella data relaterade till optiska och elektromagnetiska fenomen, som generaliseras av följande postulat:

· relativitetsprincipen enligt vilken alla naturlagar måste vara desamma i alla tröghetssystem referens;

· principen om konstant ljushastighet, enligt vilken ljusets hastighet i vakuum är densamma i alla tröghetsreferensramar och inte beror på rörelsen hos ljuskällor och mottagare.

Relativitetsprincipen i Einsteins formulering är en generalisering av Galileos relativitetsprincip, formulerad endast för mekanisk rörelse. Denna princip följer av en hel serie experiment som rör elektrodynamik och optik hos rörliga kroppar.

Michelsons exakta experiment på 80-talet av XIX-talet. visade att under utbredningen av elektromagnetiska vågor går inte hastigheterna ihop. Till exempel om längs rörelseriktningen för ett tåg vars hastighet är lika med v1, skicka en ljussignal med en hastighet v2, nära ljusets hastighet i vakuum, då är signalens hastighet i förhållande till plattformen mindre än summan v1+v2 och i allmänhet kan inte överskrida ljusets hastighet i vakuum. Utbredningshastighet ljussignal beror inte på ljuskällans hastighet. Detta faktum kom i konflikt med Galileos relativitetsprincip.

Principen om ljusets hastighets konstantitet kan till exempel verifieras genom att mäta ljusets hastighet från motsatta sidor av den roterande solen: solens ena kant rör sig alltid mot oss, och den andra i motsatt riktning. Trots källans rörelse är ljusets hastighet i vakuum alltid densamma och lika med s=300 000 km/s.

Dessa två principer motsäger varandra ur synvinkeln av den klassiska fysikens huvudidéer.

Ett dilemma uppstod: förkastandet av antingen principen om ljushastighetens konstanthet eller relativitetsprincipen. Den första principen har fastställts så exakt och otvetydigt att det skulle vara uppenbart obefogat att vägra den, och dessutom är den kopplad till en alltför komplicerad beskrivning av naturens processer. Inte mindre svårigheter uppstår när relativitetsprincipen förnekas inom området för elektromagnetiska processer.

Den uppenbara motsättningen mellan relativitetsprincipen och lagen om ljusets hastighets konstanthet uppstår eftersom klassisk mekanik, enligt Einstein, förlitade sig på "två omotiverade hypoteser":

tidsintervallet mellan två händelser beror inte på referensramens rörelsetillstånd;

Rumsligt avstånd mellan två punkter fast kropp beror inte på referensramens rörelsetillstånd.

Baserat på dessa till synes ganska uppenbara hypoteser medgav klassisk mekanik tyst att värdena för tidsintervallet och avståndet har absoluta värden, dvs. är inte beroende av referensorganets rörelsetillstånd. Det visade sig att om en person i en bil som rör sig jämnt passerar, till exempel en sträcka på 1 meter på en sekund, så kommer han också att passera samma väg i förhållande till vägbädden på en sekund. På liknande sätt trodde man att de rumsliga dimensionerna hos kroppar i vilande och rörliga referensramar förblir desamma. Och även om dessa antaganden ur det vanliga medvetandets och sunt förnufts synvinkel verkar självklara, överensstämmer de inte desto mindre med resultaten av noggrant genomförda experiment som bekräftar slutsatserna av den nya, speciella relativitetsteorin.

3.4.2. Lorentz förvandling

Einstein, när han arbetade med den speciella relativitetsteorin, övergav inte relativitetsprincipen, utan gav den tvärtom mer allmän form. Samtidigt var det nödvändigt att radikalt omvandla förståelsen av rum och tid, med ett ord, för att skapa ett fundamentalt ny teori förändringar i rums-temporala relationer mellan objekt.

Låt oss överväga vilka villkor transformationerna av rumsliga koordinater och tid måste uppfylla vid övergången från en referensram till en annan. Om vi ​​accepterar den klassiska mekanikens antagande om avståndens och tidens absoluta natur, kommer transformationsekvationerna, som kallas den galileiska transformationen, att ha följande form:

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

Men erkännandet av principen om ljusets hastighets konstanthet krävde att den galileiska omvandlingen ersattes med andra formler som inte motsäger denna princip. Einstein visade att en sådan omvandling, som inte strider mot principen om hastighetskonstans, är den s.k. Lorentz förvandling, uppkallad efter den holländska fysikern H. A. Lorenz (1853–1928).

I fallet när en referensram rör sig i förhållande till den andra likformigt och rätlinjigt längs x-axeln X, formlerna för Lorentz-transformationen, inklusive transformationen av tid, har formen:

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 ,

var vär koordinatsystemets rörelsehastighet (x',y',z') i förhållande till koordinatsystemet (x,y,z),  cär ljusets hastighet.

Baserat på Lorentz-transformationerna är det lätt att kontrollera att en stel linjal som rör sig i dess längdriktning kommer att vara kortare än en stationär, och ju kortare desto snabbare rör sig den. Genom att använda den första ekvationen av Lorentz-transformationen får vi faktiskt att längden på den rörliga linjalen i förhållande till den fasta referensramen l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, var l 0 - längden på linjalen i referenssystemet som är associerat med linjalen.

Relativistisk mekanik

Särskild relativitetsteori stammar från elektrodynamik och gjorde föga för att ändra dess innehåll, men å andra sidan förenklade den avsevärt dess teoretiska konstruktion, d.v.s. härledning av lagar och, viktigast av allt, minskade antalet oberoende hypoteser som ligger bakom den.

Med klassisk mekanik fallet är något annorlunda. För att överensstämma med postulaten från den speciella relativitetsteorin behöver klassisk mekanik vissa förändringar. Dessa förändringar berör främst lagarna för snabba rörelser, d.v.s. rörelse som är jämförbar med ljusets hastighet. Under vanliga markförhållanden möter vi hastigheter som är mycket lägre än ljusets hastighet, och därför är de korrigeringar som relativitetsteorin kräver att göra extremt små och kan i många fall praktiskt taget försummas.

Ny mekanik baserad på Einsteins speciella relativitetsprincip, som är en kombination av relativitetsprincipen med påståendet om ändligheten av den maximala hastigheten för interaktionsutbredning, kallas relativistisk mekanik.

De huvudsakliga slutsatserna av relativistisk mekanik är påståendena att massan av en kropp m, dess längd l och evenemangets längd Dt beror på värdet av förhållandet mellan kroppens hastighet v till ljusets hastighet c och definieras av formlerna:

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,

var m 0 , l 0 , Dt 0är kroppens massa, dess längd och händelsens varaktighet i den referensram som är associerad med kroppen.

Till exempel, om två rymdskepp är i ett tillstånd av relativ rörelse, kommer en observatör på vart och ett av fartygen att se det andra fartyget krympa i rörelseriktningen, och astronauterna kommer att gå ner i vikt och röra sig långsamt. Alla fenomen med periodiska rörelser kommer att tyckas bromsas - pendelns rörelse, atomernas oscillation, etc. Vid normala hastigheter är dessa förändringar extremt små: jorden, som rör sig runt solen med en hastighet 30 km/h, verkar för en observatör i vila i förhållande till solen vara reducerad med bara några centimeter. När de relativa hastigheterna är mycket stora blir förändringarna betydande.

Förutom förändringar i längd och tid ger relativistisk mekanik relativistisk massförändring .

En kropps massa, bestämd genom att mäta den kraft som krävs för att ge kroppen en given acceleration, kallas tröghetsmassa. För en observatör i rymdskepp och vilar i förhållande till något föremål, förblir tröghetsmassan för detta föremål densamma oavsett fartygets hastighet v och kallas vilomassan. Tröghetsmassan för detta objekt för en observatör på jorden kallas den relativistiska massan och beror på observatörens och observationsobjektets relativa hastighet. När en kropps hastighet närmar sig ljusets hastighet, växer dess massa i det oändliga och närmar sig i gränsen oändligheten. Därför, enligt relativitetsteorin, är rörelse med en hastighet som överstiger ljusets hastighet omöjlig.

Från den relativistiska mekaniken kan man härleda lagen om förhållandet mellan massa och energi, som spelar en grundläggande roll i kärnfysik:

E \u003d mc 2,

var m- kroppsmassa, E- hans energi.

Experimentell verifiering av den relativistiska mekanikens huvudslutsatser används för att underbygga Einsteins speciella relativitetsteori, som bekräftas dagligen i laboratorier för atomforskare som arbetar med partiklar som rör sig med hastigheter nära ljusets hastighet. Rörelser med hastigheter jämförbara med ljusets hastighet observerades för första gången på exemplet med elektroner och sedan andra elementarpartiklar. Noggrant utformade experiment med sådana partiklar har verkligen bekräftat förutsägelserna av speciell relativitet att deras massa ökar med ökande hastighet.

I normala hastigheter v<< c relativistisk mekanik övergår i Newtons klassiska mekanik. Det räcker till exempel att notera att även vid jordens satellits hastighet, vilket är ungefär 8 km/s, kommer korrigeringen av massan att vara ungefär en två miljarder av den. År 1928 kombinerade den engelske fysikern P. Dirac den speciella relativitetsteorin och kvantmekaniken (mikropartiklars mekanik) till relativistisk kvantmekanik beskriver mikropartiklars rörelse i hastigheter nära ljusets hastighet.