Взаємодія матерії невід'ємна властивістьматерії, що виступає як причина руху матерії.

Фундаментальні взаємодії- Різні, що не зводяться один до одного типи взаємодії елементарних частинокта складених із них тіл.

Існують чотири типи взаємодії:

1. Гравітаційна взаємодія – відповідальна за взаємодію між тілами, які мають масу. Є визначальним у мегасвіті – світі планет, зірок, галактик.

2. Електромагнітна взаємодія - відповідальна за взаємодії між електрично зарядженими частинками та тілами. Істотно в макросвіті та атомних явищах. Визначає будову та властивості атомів та молекул.

3. Сильна взаємодія - відповідальна за взаємодію між кварками та адронами, за зв'язок нуклонів у ядрі. Є визначальним у мікросвіті.

4. Слабка взаємодія - відповідально за інші види взаємодії між елементарними частинками - всі види бета-розпаду ядер, процеси взаємодії нейтрино з речовиною, багато розпаду елементарних частинок. Виявляє себе у мікросвіті.

Раціоналістична думка передбачає, що будь-яка подія має матеріальну причину: вплив з боку матеріального тіла (тел). Тому будь-яка програма раціонального пояснення навколишнього світу включає уявлення про механізми. взаємодіїматеріальних об'єктів

Концепція близькодіїпередбачає, що взаємодія можлива лише за безпосереднього контакту взаємодіючих об'єктів, будь-яке вплив з відривом має передаватися через матеріальних посередників, про переносників взаємодії, з кінцевою швидкістю.

Концепція далекодіїпередбачає, що взаємодія матеріальних тіл вимагає матеріального посередника і може передаватися миттєво.

Концепція близькодії була висунута Аристотелем, який був переконаний у відсутності порожнечі у світі. Отже, між будь-якими двома взаємодіючими тілами розташовується ряд тіл, що примикають один до одного, які передають взаємодію при безпосередньому контакті.

У XVII ст. Концепція близькодії була розвинена Рене Декартом. У механіці Декарта взаємодія відбувається шляхом тиску чи удару, тобто. при зіткненні тел.

Концепція далекодії простежувалася в атомістичній теорії Демокріта і Левкіппа, оскільки взаємодія між атомами передавалася через порожнечу.

У механічній картині світу, основоположником якої був Ісаак Ньютон, прийнята концепція далекодії, у своїй вважалося, що дію одного тіла інше – це і дію другого перше, тобто взаємодія.

В наприкінці XIXв. виникла нова ідея- Ідея поля, основна роль якого - передача взаємодії. Майкл Фарадей висунув ідею електро магнітного поля, що передає взаємодію при електризації провідників та намагнічуванні речовини Розвинув і математично оформив цю ідею Максвелл. Таким чином, в основі електромагнітної наукової картини світулежить концепція близькодії. Механізм передачі взаємодії з допомогою поля у наступному. Тіло, що бере участь у взаємодії, створює навколо себе поле, яке займає область простору радіусом рівним радіусувзаємодії. Інші тіла взаємодіють не безпосередньо з першим тілом, а зі створеним ним полем у тих точках, де вони знаходяться. Зміна стану одного з тіл, що взаємодіють, викликає обурення створеного ним поля, яке поширюється у вигляді хвилі, досягає інших тіл, і тільки тоді їх стан починає змінюватися. Поряд із електромагнітним полем, яке переносить електромагнітні взаємодії, в електромагнітній картині світу розглядається також гравітаційне поле – переносник гравітаційних сил.

В сучасній картинісвітуідея поля отримала подальший розвиток. Польовий механізм взаємодії був уточнений у квантово-польовий механізм. З позицій сучасної фізики всі форми існування матерії дискретні. Обурення поля – хвиля – відповідно до корпускулярно-хвильового дуалізму, може одночасно розглядатися як сукупність частинок – квантів полів. Тому взаємодія, що переноситься полем, розглядається як процес обміну квантами поля між тілами, що взаємодіють, і частинками речовини. Кванти, якими обмінюються взаємодіючі тіла, є звичайні частки, а віртуальні частки. Віртуальні частки відрізняються тим, що виявити їх за час існування неможливо. Про їх існування і властивості можна судити тільки побічно – за силою взаємодії, що переноситься. Безпосередньо зареєструвати віртуальну частку не можна. Наприклад, віртуальний фотон за зоровим відчуттям на сітківці ока зареєструвати не можна. Опис механізму взаємодії мовою обміну віртуальними частинками не виключає, а доповнює класичний описна мові полів та хвиль. Таким чином, концепція далекодії в науці виявилася остаточною.

Від далекодії до близькодії: теорія електромагнітного поля.

Ідея єдності різних сил природи та її емпіричне підтвердження. На початку ХІХ ст. починають закладатися основи теорії електрики та магнетизму. Велику роль зіграло світоглядне уявлення про єдність сил природи. Початок тут поклав датський фізик Х. К. Ерстед (1777-1851), який отримав докторський ступінь з філософії Його увагу привернула ідея німецького натурфілософа Ф. Шеллінга про взаємовплив природних сил. У 1813 р. вчений поставив проблему – з'ясувати зв'язок між «вольтаїчною електрикою» та магнетизмом. Рішення прийшло у 1820 р., коли виявилося, що електричний струм створює навколо провідника магнітне поле, що впливає на магнітну стрілку. У 1821 р. француз А. М. Ампер (1775-1836)) встановив, що два паралельні один одному провідники з електричним струмом поводяться як два магніти: якщо струми йдуть в одному напрямку, то провідники притягуються, у разі протилежних напрямків вони відштовхуються. Англійський фізик М. Фарадей (1791-1867)поставив проблему зворотної залежності: чи може магнітне поле породжувати струм у провіднику? У 1831 р. він встановив, що у провіднику, що у змінному магнітному полі, утворюється струм. Так було відкрито явище електромагнітної індукції.

Всі ці емпіричні закони поєднувала математична теорія німецького фізика В. Є. Вебера (1804-1891). Її основу склала ідея далекодійних сил, які споріднені з ньютонівською. гравітаційної сили, що не потребує проміжного середовища та діє миттєво. Авторитет Ньютона у фізичному співтоваристві був такий високий, що вчені сліпо дотримувалися його заклику «не вигадувати гіпотез» щодо механізму дії сил. І все-таки тут знайшлися винятки, перш за все, в особі Фарадея.

Працюючи палітурником у друкарні, Фарадей самостійно вивчив фізику і це захоплення привело його до науки. Як віруюча людина він був упевнений у взаємозв'язку електричних та магнітних явищ, оскільки «природа єдина від Бога». Нетрадиційне мислення самоучки та талант експериментування зробили його вченим світового рівня. Складною математикою свого часу він не опанував і тому всі сили віддавав дослідам та осмисленню їхніх результатів. Ідея далекодії, що панувала на університетських кафедрах, не вплинула на свідомість Фарадея. Тим паче, що різноманітні експерименти переконували їх у близькодії електричних і магнітних сил. Особливо в цьому відношенні виділялися факти руху провідників (залізна тирса поблизу магніту, дроти та контури зі струмом тощо)

Для електрики та магнетизму близька дія універсальна. Новаторське мислення Фарадея передбачило ідейні зрушення у фізичній картині природи. Ньютонівська ідея далекодії зіграла позитивну роль при формуванні закону всесвітнього тяжіння. В умовах відсутності потрібних фактіві належної математики вона дала вченим захопитися конструюванням передчасних умоглядних моделей тяжіння. Але у першій половині ХІХ ст. ситуація почала змінюватися. Фізика стала сприйнятливою до картезіанських уявлень про рух різних матеріальних об'єктів, середовищ, що виступають носіями сил, що діють. В оптиці ньютонівська концепція поступилася місцем хвильової теорії світла з моделлю коливань ефірного середовища. В кінетичної теоріїтеплота постала як руху атомів і молекул речовини. Механіка суцільних середовищ також сприяла відродженню картезіанських ідей. Вчені з гострою інтуїцією першими відчули необхідність змін. Так, німецький дослідник До. Ф. Гаус (1777-1855)та його учень Б. Ріман припустили, що електродинамічні сили діють не миттєво, а з кінцевою швидкістю, що дорівнює швидкості світла. Крім того, до середини ХІХ ст. сформувалися математичні методи як диференціальних рівнянь у приватних похідних. Цей апарат став необхідним реалізації ідеї близькості. Багато рівнянь гідродинаміки та термодинаміки виявлялися придатними для електродинаміки. У 40-50-ті роки. на порядок денний постала проблема створення електродинаміки на основі принципу близькодії і її вирішив Максвелл.

Емпіричні закони Фарадея перекладаються мовою математики. Як вихідний матеріал Максвелл взяв емпіричні узагальнення Фарадея. Своє головне завдання він бачив у тому, щоб надати їм відповідної математичної форми. Ця робота виявилася далеко неформальною, бо переклад емпіричних образів на мову математики вимагав особливої ​​творчості. Так, аналізуючи електромагнітну індукцію, Фарадей висунув ідею «електротонічного стану», де зміна магнітного поля викликає вихрове електричне поле.

Поле та ефір. З фарадіївської спадщини Максвелл також взяв принцип близькодії та ідею поля. Вони доповнювали один одного, тому що близька дія повинна відбуватися в матеріальному безперервному середовищі, у цьому середовищі якраз і діє поле. Щоправда, у Фарадея поле розумілося невизначено і середовище розглядалося як щось подібне до газового середовища. І не випадково Максвелл спочатку будував моделі електричного поля, поміщаючи його в особливе рідкоподібне середовище, яке стисливе, безінерційне і тече, відчуваючи опір. Пізніше як середовище у нього закріпився ефір, який заповнює весь простір і пронизує всі вагомі тіла. Цим уявленням широко користувався Томсон, під науковим впливом якого був Максвелл. Звідси поле у ​​нього стало областю ефіру, безпосередньо пов'язаною з електричними та магнітними явищами: «...Електромагнітне поле – це та частина простору, яка містить у собі та оточує тіла, що знаходяться в електричному чи магнітному стані».

Екстравагантність струму зміщення. Ідеї ​​поля та ефіру зіграли визначальну роль у розумінні центрального елемента теорії – гіпотези струму усунення. У дослідах Фарадея спостерігалися ефекти, віддалені великі відстані від електрики, поточного по провіднику. Такого ж пояснення вимагав факт проходження змінного струмучерез ізолятор, що розділяє дві пластини конденсатора. У визнанні нового виду електричного струмумогли зіграти свою роль міркування симетрії - струм провідності доповнюється струмом усунення. Але як можливий рух останнього? І отут на сцену виступив ефір. Як і провідник, він є тілом, що має лише велику розрідженість і проникність. Пружні властивості ефіру дозволяють змінному електричному полюзміщуватися туди - сюди, тобто коливатися. Це і є струм зсуву, що має форму хвильового коливального процесу і поширюється в ефірі поза провідниками. Так само, як і струм провідності, може породжувати магнітне поле. Відповідно до закону індукції, змінне магнітне поле створює змінне електричне поле. Своєю теорією Максвелл затвердив повну взаємодію: будь-яке змінне електричне поле, засноване або струмі провідності, або струмі зміщення, породжує магнітне поле. В наявності симетрія взаємних впливів динамічних полів, що становить єдину природу електромагнітного поля.

Світло як електромагнітне поле. Теорія Максвелла допомогла глибше зрозуміти сутність світла. З давніх часів існувала корпускулярна (лат. corpusculum - тільце) гіпотеза, яка стверджувала, що світло є потіком прямолінійно рухомих, дуже маленьких частинок. Згідно з іншим припущенням, світло є хвилями з дуже малою довжиною. На початку ХІХ ст. Є. Юнг та О. Френель представили переконливі аргументи на користь хвильової гіпотези. Вимірювання встановили, що швидкість світла дорівнює приблизно 300 000 км/с.

Електромагнітне поле – це не тільки світло. Відповідно до теорії Максвелла, електромагнітні хвилі поширюються також із швидкістю 300000 км/с. Збіг швидкостей і хвильова теорія світла спонукали вченого віднести світло до електромагнітних процесів. Теорія світла як послідовного чергування електричних і магнітних полів як добре пояснювала старі факти, а й передбачала невідомі явища. Крім видимого світла має бути інфрачервоне, ультрафіолетове випромінювання та інші види хвиль. Світло також має чинити певний тиск на речовину.

Досвідчене виявлення електромагнітних хвиль . Теорія Максвелла була опублікована в 1873 р. в «Трактаті про електрику та магнетизм». Багато фізики поставилися до неї скептично, особливе неприйняття викликала гіпотеза струму усунення. У теоріях Вебера та Гельмгольца таких екзотичних ідей не було. У цій ситуації вимагалося свідчення вирішальних експериментів, і воно відбулося. У 1887 р. німецький фізик Г. Герц (1857-1894)створив генератор електромагнітних хвиль та здійснив їх прийом. Тим самим було виявлено таємничий «струм усунення», який відкрив перспективу нової практики (радіо, телебачення). 1895 р. німецький фізик В.К. Рентген виявив нове випромінювання, назване рентгенівським і електромагнітними хвилями, що виявилося, з частотою вищої, ніж ультрафіолетове випромінювання. У 1900 р. російський учений П. М. Лебедєв (1866-1912)за допомогою дуже тонких дослідіввідкрив тиск світлових хвиль та виміряв його величину. Вся ця наукова практика однозначно вказала теорію Максвелла як істинний образ природи.

Матерія - це речовина та електромагнітне поле. З огляду на свою фундаментальність теорія Максвелла істотно вплинула наукову картину природи. Впала тривала монополія ідеї речовини, і через поняття електромагнітного поля стала формуватися ідея фізичного поля як самостійного виглядуматерії. Програма виявлення єдності природи отримала чудовий результат - колишня відмінність електрики та магнетизму поступилася місцем єдиному електромагнітному процесу. Максвелл продемонстрував високу евристичну силу математичної гіпотези та дав зразок синтезу математики з фізикою. Нова електродинаміка стала вінцем класичної фізики.

Завдання.

1. Які тенденції були характерні для розвитку біології з XVI до XIX ст.?

2. Чому відкриття Д. І. Менделєєвим періодичного законуоцінюється як революція у хімії?

3. Які світоглядні висновки було зроблено із закону збереження енергії?

4. За що махісти та енергетисти критикували атомістику?

5. Чи можна з позиції лапласівського детермінізму визнати статистичну закономірність?

6. Які нові ідеї принесла із собою електродинаміка Максвелла?

100 рбонус за перше замовлення

Виберіть тип роботи Дипломна робота Курсова роботаРеферат Магістерська дисертація Звіт з практики Стаття Доповідь Рецензія Контрольна роботаМонографія Розв'язання задач Бізнес-план Відповіді на запитання Творча роботаЕсе Чертеж Твори Переклад Презентації Набір тексту Інше Підвищення унікальності тексту Кандидатська дисертація Лабораторна роботаДопомога on-line

Дізнатись ціну

Вже в античному світі мислителі замислювалися над природою та сутністю простору та часу. Одні з філософів заперечували можливість існування порожнього простору або, за їх висловом, небуття. Це були представники елейської школи Стародавню Грецію - Парменід та Зенон.Інші філософи, у тому числі Демокріт, стверджували, що порожнеча існує, як і атоми, і необхідна для їх переміщень і з'єднань.

У природознавстві до XVI століття панувала геоцентрична система Птоломея.Вона являла собою першу універсальну математичну модель світу, в якій час був нескінченним, а простір кінцевим, що включає рівномірний круговий рух небесних тілдовкола нерухомої Землі. Корінна зміна просторової та всієї фізичної картини відбулася в геліоцентричній системі світу, представленій Коперник.Визнавши рухливість Землі, він відкинув усі раніше існували уявлення про її унікальність як центру Всесвіту і тим самим спрямував рух наукової думки до визнання безмежності та нескінченності простору. Ця думка набула розвитку у філософії Джордано Бруно,який зробив висновок про нескінченність Всесвіту та відсутність у неї центру.

Важливу роль у розвитку уявлень про простір зіграв відкритий Галілеємпринцип інерції. Відповідно до цього принципу всі фізичні (механічні) явища відбуваються однаково у всіх системах, що рухаються рівномірно і прямолінійно з постійною за величиною та напрямом швидкості.

Подальший розвиток уявлення про простір і час пов'язаний з фізико-космічною картиною світу Р. Декарта.У її основу він поклав ідею у тому, що це явища природи пояснюються механічним впливом елементарних матеріальних частинок. Сам же вплив Декарт представляв у вигляді тиску або удару при зіткненні частинок один з одним і ввів таким чином у фізику ідею близькодії.

Нова фізична картина світу була представлена ​​у класичній механіці І. Ньютона.Він намалював струнку картину планетної системи, дав строгу кількісну теорію руху планет. Вершиною його механіки стала теорія тяжіння, що проголошувала універсальний закон природи. закон всесвітнього тяжіння. Відповідно до цього закону, будь-які два тіла притягують одне одного з силою, прямо пропорційною їх масам і обернено пропорційною квадрату відстані між ними.

Цей закон виражається такою формулою:

де: k- гравітаційна стала; m1, m2- тяжіючі маси; r- Відстань між ними.

Цей закон нічого не говорить про залежність сили тяжіння від часу. Сила тяжіння чисто математично може бути названа далекодіючою,вона миттєво пов'язує ті тіла, що взаємодіють, і для її обчислення не потрібно ніяких припущень про середовище, що передає взаємодію.

Поширивши весь Всесвіт закон тяжіння, Ньютон розглянув і можливу її структуру. Він дійшов висновку, що Всесвіт - нескінченний. Тільки в цьому випадку в ній може існувати багато космічних об'єктів - центрів гравітації. У рамках ньютонівської моделі Всесвіту утвердилося уявлення про нескінченний простір, в якому знаходяться космічні об'єкти, пов'язані між собою силою тяжіння. Відкриття основних законів електро - і магнітостатики, аналогічних за математичною формою закону всесвітнього тяжіння ще більше затвердило у свідомості вчених ідею далекодійних сил, що залежать тільки від відстані, але не від часу.

Поворот у бік ідей близькодії пов'язаний з ідеями Фарадея і Москвилла,котрі розробили концепцію електромагнітного поля як самостійної фізичної реальності. Вихідним при цьому було визнання близькодії та кінцевої швидкості передачі будь-яких взаємодій.

Висновок про те, що хвильове електромагнітне поле відривається від розряду і може самостійно існувати та поширюватися у просторі, здавалося абсурдним. Сам Максвелл наполегливо прагнув вивести свої рівняння з механічних властивостейефіру. Але коли Герц експериментально виявив існування електромагнітних хвиль, це було сприйнято як вирішальний доказ справедливості теорії Максвелла. Місце миттєвої далекодії зайняло близькість, що передається з кінцевою швидкістю.

Близькодія - уявлення, згідно з яким взаємодія між віддаленими один від одного тілами здійснюється за допомогою проміжного середовища (поля) і здійснюється з кінцевою швидкістю. На початку 18 століття одночасно з теорією близькодії зародилася протилежна їй теорія далекодії, згідно з якою тіла діють один на одного без посередників, через порожнечу, на будь-якій відстані, і така взаємодія здійснюється з нескінченно великою швидкістю (але підпорядковується певним законам). Прикладом далекодії можна вважати силу всесвітнього тяжіння в класичній теорії гравітації І. Ньютона.

Одним із родоначальників теорії близькодії вважається М. В. Ломоносов. Ломоносов був противником теорії далекодії, вважаючи, що тіло не може впливати на інші тіла миттєво. Він вважав, що електрична взаємодія передається від тіла до тіла через особливе середовище «ефір», що заповнює весь порожній простір, зокрема і простір між частинками, з яких складається «вагома матерія», тобто речовина. Електричні явища, за Ломоносовим, слід розглядати як певні мікроскопічні рухи, що відбуваються в ефірі Те саме відноситься і до магнітних явищ.

Проте теоретичні уявлення Ломоносова та Л. Ейлера на той час не могли отримати розвитку. Після відкриття закону Кулона, який за своєю формою був таким самим, як і закон всесвітнього тяжіння, теорія далекодії дуже витісняє теорію близькодії. І лише на початку 19 століття М. Фарадей відроджує теорію близькодії. Згідно з Фарадею, електричні зарядине діють один на одного безпосередньо. Кожен із них створює в навколишньому просторі електричне та магнітне (якщо він рухається) поля. Поля одного заряду діють на інший і навпаки. Загальне визнання теорії близькодії починається з другої половини 19 століття, після експериментального доказу теорії Дж. Максвелла, який зумів надати ідеям Фарадея точну кількісну форму, настільки необхідну у фізиці - систему рівнянь електромагнітного поля.

Важливою відмінністю теорії близькодії від теорії далекодії є наявність максимальної швидкостіпоширення взаємодій (полів, частинок) – швидкості світла. У сучасній фізиці проводиться чіткий поділ матерії на частинки-учасники (або джерела) взаємодій (названі речовиною) та частинки-переносники взаємодій (називаються полем). З чотирьох видів фундаментальних взаємодій надійну експериментальну перевірку існування частинок-переносників отримали три: сильна, слабка та електромагнітна взаємодії. В даний час робляться спроби з виявлення переносників гравітаційної взаємодії - так званої

Завдяки дослідженням і досягненням Ерстеда, Фарадея, Максвелла, Герца, Попова було показано, що матерія існує у вигляді речовини, а й у вигляді поля. Визнання реальності електромагнітного поля означало перемогу у фізиці концепції близькостінад загальноприйнятою XIX в. концепцією далекодії. Розглянемо, у чому суть цих концепцій.

Дальнодія та близька дія – протилежні концепції, покликані пояснити загальний характервзаємодії фізичних об'єктів

Відразу після відкриття Ньютоном закону всесвітнього тяжіння, а потім – після відкриття Кулоном закону електростатичної взаємодії зарядів, виникли питання філософського змісту: чому фізичні тіла, які мають масу, діють одне на одного на відстані через порожній простір, і чому заряджені тіла взаємодіють навіть через електрично нейтральне середовище? До введення поняття поля був задовільних відповідей ці запитання. Довгий час вважалося, що взаємодія між тілами може здійснюватися безпосередньо через порожній простір, який не бере участі у передачі взаємодії та передача взаємодії, таким чином відбувається миттєво. Таке припущення становить суть концепції далекодії, що допускає дію поза часом та простором. Після Ньютона ця концепція отримує широке розповсюдженняу фізиці, хоча сам Ньютон розумів, що введені ним сили далекодії (наприклад, тяжіння) є лише формальним прийомом, що дозволяє дати вірне в деяких межах опис явищ, що спостерігаються.

У дослідженнях з електрики та магнетизму концепція далекодії незадовго до досліджень Фарадея здобула перемогу над панівною. довгий часмеханістичною концепцією близькодії, за якою ті, що взаємодіють, повинні стикатися. Ця перемога призвела до низки важливих теорій та законів (закон Кулона, електродинаміка Ампера). Однак до середини ХІХ ст. ідея необхідність відмови від далекодії в електродинаміці, визнання принципу близькодії і кінцевої швидкості поширення електромагнітних обурень почала опановувати умами вчених (Гаусс, Ріман), проте ніхто, крім Максвелла, не розробив цю ідею і не довів її до ступеня наукової теорії.

Концепція близькодіїстверджує, що будь-який вплив на матеріальні об'єкти може бути передано лише від цієї точки простору до найближчої сусідньої точки і за кінцевий проміжок часу. Теоретично електромагнетизму Максвелла було доведено, що взаємодія електрично заряджених тіл здійснюється не миттєво, і з кінцевої швидкістю, що дорівнює швидкості світла в порожнечі – 300000 км/с.

Таким чином, вироблення концепції фізичного поля сприяло зміцненню концепції близькодії, яка поширюється не тільки на електромагнітну, а й на інші типи взаємодій.

Розвиток концепцій простору та часу у спеціальній теорії відносності

У механістичній картині світу поняття просторуі часурозглядалися безвідносно до властивостей рухомої матерії. Простір виступало в ній як своєрідне вмістище для тіл, що рухаються, а час – як параметр, знак якого можна міняти на зворотний. Іншою особливістю механістичної картини світу є те, що в ній простір і час як форми існування матерії вивчаються окремо та відокремлено, внаслідок чого їхній зв'язок не встановлюється.

Принцип відносності

Коли в природознавстві панувала механістична картина світу та існувала тенденція зводити пояснення всіх явищ природи до законів механіки, принцип відносності, сформульований Галілеєм у рамках класичної механіки, не піддавався жодному сумніву. Становище різко змінилося, коли фізики впритул почали вивчення електричних, магнітних і оптичних явищ. Максвелл об'єднав усі ці явища у межах єдиної електромагнітної теорії. У зв'язку з цим природно постало питання: чи виконується принцип відносності і для електромагнітних явищ?

У 1905 р. французький математик і фізик А. Пуанкаре (1854-1912) сформулював принцип відносності як загальний фізичний закон, справедливий і для механічних та електромагнітних явищ. Відповідно до цього принципу, закони фізичних явищ повинні бути однакові як для спостерігача, що спочиває, так і для спостерігача, що перебуває в стані рівномірного прямолінійного руху. На основі принципу відносності розвинулася нова фізична теорія простору та часу – .

А. Пуанкаре першим висловив думку, що принцип рівноправності всіх інерційних координатних систем має поширюватися і електромагнітні явища, тобто. принцип відносності застосовний до всіх явищ природи. Це вело до необхідності перегляду уявлень про просторіі часу. Однак Пуанкаре не вказав на необхідність цього. Це було вперше зроблено А. Ейнштейном (1979-1955).

Спеціальна теорія відносності- фізична теорія, що розглядає простір і час як тісно пов'язані між собою форми існування матерії. Спеціальна теорія відносності була створена у 1905–1908 рр. працями Х. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Ейнштейна та Г. Мінковського на основі аналізу досвідчених даних, що відносяться до оптичних та електромагнітним явищам, узагальненням яких є постулати:

· принцип відносностізгідно з яким всі закони природи повинні бути однакові у всіх інерційних системахвідліку;

· принцип сталості швидкості світла, згідно з яким швидкість світла в порожнечі однакова у всіх інерційних системах відліку і не залежить від руху джерел та приймачів світла.

Принцип відносності у формулюванні Ейнштейна є узагальнення принципу відносності Галілея, сформульованого лише для механічного руху. Цей принцип випливає з цілого ряду дослідів, що відносяться до електродинаміки та оптики тіл, що рухаються.

Точні досліди Майкельсона у 80-х роках ХІХ ст. показали, що з поширенні електромагнітних хвиль швидкості не сумуються. Наприклад, якщо вздовж напрямку руху поїзда, швидкість якого дорівнює v 1, надіслати світловий сигнал зі швидкістю v 2, близька до швидкості світла у вакуумі, швидкість переміщення сигналу по відношенню до платформи виявляється менше суми v 1 +v 2і взагалі не може перевищувати швидкість світла у вакуумі. Швидкість розповсюдження світлового сигналуне залежить від швидкості руху джерела світла. Цей факт вступив у суперечність із принципом відносності Галілея.

Принцип сталості швидкості світла може бути, наприклад, перевірений при вимірюванні швидкості світла від протилежних сторін Сонця, що обертається: один край Сонця завжди рухається до нас, а інший - у протилежний бік. Незважаючи на рух джерела, швидкість світла в порожнечі завжди однакова і дорівнює с=300000 км/с.

Ці два принципи суперечать один одному з точки зору основних уявлень класичної фізики.

Виникла дилема: відмова або принципу сталості швидкості світла, або принципу відносності. Перший принцип встановлений настільки точно і однозначно, що відмова від нього була б явно невиправданою і до того ж пов'язана з надмірним ускладненням опису процесів природи. Не менші проблеми виникають і за заперечення принципу відносності у сфері електромагнітних процесів.

Здається протиріччя принципу відносності закону сталості швидкості світла виникає оскільки класична механіка, за заявою Ейнштейна, спиралася " дві нічим не виправдані гіпотези " :

· Проміжок часу між двома подіями не залежить від стану руху системи відліку;

· Просторова відстань між двома точками твердого тілане залежить стану руху системи відліку.

Виходячи з цих, що здаються цілком очевидними, гіпотез класична механіка мовчазно визнавала, що величини проміжку часу та відстані мають абсолютні значення, тобто. не залежить від стану руху тіла відліку. Виходило, що якщо людина в вагоні, що рівномірно рухається, проходить, наприклад, відстань в 1 метр за одну секунду, то цей же шлях по відношенню до полотна дороги він пройде теж за одну секунду. Аналогічно цьому вважалося, що просторові розміри тіл у системах відліку, що покояться і рухаються, залишаються однаковими. І хоча ці припущення з погляду повсякденного свідомості здорового глузду здаються само собою очевидними, проте, вони не узгоджуються з результатами ретельно проведених експериментів, що підтверджують висновки нової, спеціальної теорії відносності.

3.4.2. Перетворення Лоренца

Ейнштейн при роботі над спеціальною теорією відносності не відмовився від принципу відносності, а навпаки, надав йому більше загальний вигляд. При цьому потрібно докорінно перетворити розуміння простору і часу, одним словом, створити принципово нову теоріюзміни просторово-часових відносин між об'єктами.

Розглянемо, яким умовам повинні задовольняти перетворення просторових координат та часу при переході від однієї системи відліку до іншої. Якщо прийняти припущення класичної механіки про абсолютний характер відстаней і часу, то рівняння перетворення, які називають перетворенням Галілея, матимуть такий вигляд:

x = x' + vt',

y = y’,

z = z’,

t = t'.

Проте визнання принципу сталості швидкості світла вимагало заміни перетворення Галілея іншими формулами, які суперечать цьому принципу. Ейнштейн показав, що таким перетворенням, що не суперечить принципу сталості швидкості, є так зване перетворення Лоренца, назване на ім'я нідерландського фізика Х. А. Лоренца (1853-1928).

У разі коли одна система відліку рухається відносно іншої рівномірно і прямолінійно вздовж осі абсцис х, формули перетворення Лоренца, що включають перетворення часу мають вигляд:

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

y = y’,

z = z’,

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

де v- Швидкість руху системи координат (x',y',z')щодо системи координат (x, y, z),  c- швидкість світла.

Спираючись на перетворення Лоренца, легко перевірити, що тверда лінійка, що рухається в напрямі її довжини, буде коротшою, і тим коротше, чим швидше вона рухається. Насправді, використовуючи перше рівняння перетворення Лоренца, отримаємо, що довжина лінійки, що рухається, відносно нерухомої системи відліку l=l 0 (1-v 2 /c 2) 1/2, де l 0 –довжина лінійки у системі відліку, пов'язаної з лінійкою.

Релятивістська механіка

Спеціальна теорія відносностівиникла з електродинамікиі мало чим змінила її зміст, зате значно спростила її теоретичну конструкцію, тобто. висновок законів і, найголовніше, зменшила кількість незалежних гіпотез, що у її основі.

З класичною механікоюсправа дещо інакше. Для того, щоб узгодитися з постулатами спеціальної теорії відносності, класична механіка потребує деяких змін. Ці зміни стосуються переважно законів швидких рухів, тобто. рухів, швидкість яких можна порівняти зі швидкістю світла. У звичайних земних умовах ми зустрічаємося зі швидкостями, значно меншими за швидкість світла, і тому поправки, які вимагає вносити теорія відносності, мають вкрай малу величину і їх у багатьох випадках практично можна знехтувати.

Нова механіка, заснована на спеціальному принципі відносності Ейнштейна, який є об'єднання принципу відносності із твердженням про кінцівки максимальної швидкості поширення взаємодії, отримала назву релятивістської механіки.

Основними висновками релятивістської механіки є твердження, що маса тіла m, його довжина lта тривалість події D tзалежать від величини відношення швидкості тіла vдо швидкості світла cта визначаються формулами:

m = m 0 /(1 - v 2 /c 2) 1/2 ,

l = l 0 (1 -v 2 /c 2) 1/2,

Dt =Dt 0 /(1 - v 2 /c 2) 1/2 ,

де m 0 , l 0 , Dt 0– маса тіла, його довжина та тривалість події у системі відліку, пов'язаної з тілом.

Наприклад, якщо два космічні кораблі перебувають у стані відносного руху, то спостерігач на кожному з кораблів бачитиме інший корабель таким, що скоротився в напрямку руху, а космонавтів – схудлими і такими, що пересуваються, уповільнено. Усі явища з періодичними рухами здаватимуться уповільненими, - рух маятника, коливання атомів тощо. При звичайних швидкостях ці зміни надзвичайно малі: Земля, що рухається навколо Сонця зі швидкістю 30 км/год, здалася б спостерігачеві, що спочиває щодо Сонця, що скоротилася лише на кілька сантиметрів. Коли відносні швидкості дуже великі, зміни стають значними.

На додаток до змін довжини та часу, релятивістська механіка дає релятивістська зміна маси .

Маса тіла, яка визначається шляхом вимірювання сили, необхідної для повідомлення тілу прискорення, називається інертною масою. Для спостерігача, що знаходиться в космічному корабліі інертна маса цього предмета, що лежить щодо якогось предмета, залишається однією і тією ж незалежною від швидкості корабля vі називається масою спокою. Інертна маса цього предмета для спостерігача, що знаходиться на Землі, називається релятивістською масою і залежить від відносної швидкості спостерігача та об'єкта спостереження. Коли швидкість тіла наближається до швидкості світла, маса його необмежено зростає і межі наближається до нескінченності. Тому згідно з теорією відносності руху зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, неможливі.

З релятивістської механіки можна вивести закон взаємозв'язку маси та енергії, що грає фундаментальну роль у ядерної фізики:

E = mc 2

де m- маса тіла, E –його енергія.

Експериментальна перевірка основних висновків релятивістської механіки використовується для обґрунтування спеціальної теорії відносності Ейнштейна, що підтверджується щоденно в лабораторіях вчених – атомників, які працюють із частинками, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Рухи зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла, вперше вдалося спостерігати з прикладу електронів, та був інших елементарних частинок. Ретельно поставлені експерименти з такими частинками справді підтвердили передбачення спеціальної теорії відносності збільшення їх маси зі зростанням швидкості.

При звичайних швидкостях v<< c релятивістська механіка перетворюється на класичну механіку Ньютона. Досить, наприклад, відзначити, що навіть при швидкості руху супутника Землі, що дорівнює приблизно 8 км/с, поправка до маси становитиме близько однієї двомільярдної її частини У 1928 р. англійський фізик П. Дірак об'єднав спеціальну теорію відносності та квантову механіку (механіку мікрочастинок) у релятивістську квантову механіку, що описує рух мікрочастинок при швидкостях, близьких до швидкості світла