KSE4 (1153100), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Переход от одной инерциальной системы отсчета к другойосуществляется на основе так называемых преобразований Галилея:x = х' + υ't, y = y', z = z ', t = t',где х, у и z означают координаты тела, v — скорость, t — время.Смысл принципа относительности заключается в том, что во всех инерциальныхсистемах отсчёта законы классической механики имеют одинаковую математическуюформу записи.В период создания механики перед Ньютоном неизбежно вставал вопрос: а существуютли вообще инерциальные системы? Если существует хотя бы одна такая система, томожет существовать бесчисленное их множество, ибо любая система, движущаясяравномерно и прямолинейно относительно данной, тоже будет инерциальной.Совершенно очевидно, что в природе инерциальных систем отсчета нет. На Земле сдостаточной степенью точности соблюдается принцип инерции, и тем не менее Земля —система неинерциальная: она вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси.
Неможет быть инерциальной и система, связанная с Солнцем, ибо Солнце вращается вокругцентра Галактики. Но если ни одна реальная система отсчета не является строгоинерциальной, то не оказываются ли фикцией основные законы механики?Поиски ответа на этот вопрос привели к понятию абсолютного пространства. Онопредставлялось совершенно неподвижным, а связанная с ним система отсчета — инерциальной. Предполагалось, что по отношению к абсолютному пространству законымеханики выполняются строгим образом.В преобразованиях Галилея отражены основные свойства пространства и времени,как они понимались в классической механике.1.
Пространство и время существуют как самостоятельные сущности, не связанныедруг с другом.Пространственные и временные координаты входят в уравнения неравноправнымобразом. Пространственная координата в движущейся системе зависит и от пространственной, и от временной координаты в неподвижной системе (х1 = х - vt).Временная же координата в движущейся системе зависит только от временнойкоординаты в неподвижной и никак не связана с пространственными координатами ( t \ =t ) .
Таким образом, время мыслится как нечто совершенно самостоятельное поотношению к пространству.2. Абсолютность пространства и времени, т.е. абсолютный характер длины ивременных интервалов, а также абсолютный характер одновременности событий.Основными метрическими характеристиками пространства и времени являютсярасстояние между двумя точками в пространстве (длина) и расстояние между двумясобытиями во времени (промежуток). В преобразованиях Галилея зафиксированабсолютный характер длины и промежутка.
В отношении временного промежутка этонепосредственно видно из уравнения t' = t. Время не зависит от системы отсчета, оно однои то же во всех системах, везде и всюду течет совершенно равномерно и одинаково.Таким образом, во всех инерциальных системах отсчета равномерно течет единоенепрерывное абсолютное время и осуществляется абсолютный синхронизм (т.е. одновременность событий не зависит от системы отсчета, она абсолютна), основой которогомогли выступать лишь дальнодействующие мгновенные силы — эта роль в системеНьютона отводилась тяготению (закон всемирного тяготения). Однако статусдальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субстанциальнойприродой пространства и времени в рамках механистической картины мира.В классической механике Ньютона пространство вводится посредством евклидовойтрехмерной геометрии.
В силу этого оно непрерывно, упорядоченно, трехмерно, бесконечно, безгранично — это трехмерный континуум точек.Ньютоновская концепция пространства и времени и принцип относительности Галилея,на основе которых строилась физическая картина мира, господствовали вплоть до концаXIX в.4.1.2. Специальная теория относительностиСозданная в первые годы XX в.
теория относительности положила начало радикальномупреобразованию ранее сложившихся физических представлений о пространстве ивремени, легла в основу современной физики.Специальная теория относительности (СТО) не является трудом одного человека,как это пишут в популярной литературе и большинстве учебников. Как и квантовая механика, она возникла в результате совместных усилий группы великих исследователей — X.А. Лоренца, А.
Пуанкаре (1854-1912), А. Эйнштейна, Г. Минковского (1864—1909).Формирование теории относительности связано с исследованиями в областиэлектродинамики, которые пришли в противоречие с основными положениямиклассической физики. Оказалось, что законы электромагнетизма и законы механики (вчастности, механическая формулировка принципа относительности) плохо согласуютсядруг с другом. Уравнения механики в известном тогда виде не менялись послепреобразований Галилея, а уравнения Максвелла при применении этих преобразований кним самим или к их решениям — меняли свой вид и, главное, давали другие предсказания(например, измененную скорость света).Помимо этого существовали острые противоречия между новым экспериментальнымматериалом и теми положениями классического естествознания, которые были связаны спредставлением об эфире — всепроникающей идеальной светоносной среде,заполняющей все мировое пространство.В электродинамике уравнения Максвелла интерпретировались как записанныеотносительно системы отсчета, связанной с эфиром.
Они содержат коэффициент 1 /с, где с— скорость света. Вставал естественный вопрос: скорость света по отношению к чему?Столь же естественным был и ответ: по отношению к эфиру. Из анализа явления аберрации звезд следовало, что эфир неподвижен, а раз так, то в любой системе отсчета,движущейся относительно эфира, скорость света должна была быть равной векторнойсумме скоростей с и υ, где с — скорость света относительно эфира, a υ — скоростьдвижения системы отсчета относительно эфира.
Неподвижный мировой эфир былоестественно связать с абсолютным пространством, и тогда, найдя разность междускоростью света в эфире и скоростью света в данной системе отсчета, мы могли быопределить скорость движения этой системы относительно эфира, т.е. ее абсолютнуюскорость в абсолютном пространстве.Наиболее значимым для формирования идей относительности стал эксперимент А.Майкельсона (1852—1931), который, по словам английского ученого Дж. Бернала, сталвеличайшим из всех отрицательных опытов в истории науки. Целью эксперимента,проведенного Майкельсоном в 1881 г., было обнаружение движения Земли по отношениюк эфиру. Он использовал интерферометр, в котором начальный луч света разделяется надва с помощью полупрозрачного зеркала, а затем эти два луча, преодолев разный путь,сводятся вместе и интерферируют. Изучая интерференционную картину, можно сделатьвывод о разнице оптических путей между двумя лучами.
Эксперимент дал отрицательныйрезультат, смещение полос интерференционной картины не совпало с ожидаемым. Этоозначало, что скорость движения Земли относительно эфира не зафиксирована, аскорость света остается постоянной и не зависит от движения источника света.В дальнейшем эксперименты Майкельсона неоднократно повторялись (А. Майкельсони Э. Морли в 1887 г.), Э. Морли и Д. К. Миллер в 1902—1904 гг., и т.д.). Для уменьшенияпотенциального эффекта увлечения эфира установка поднималась в горы, однакополучался результат, несовпадающий, с ожидаемым. Майкельсон расценил дело своейжизни как свою личную трагедию. Он «до конца дней своих не верил в теориюотносительности, а однажды даже сказал Эйнштейну, что сожалеет, что его собственнаяработа, возможно, способствовала появлению этого монстра».Заметим, что эксперименты по исследованию движения Земли относительно эфирабыли продолжены в 1921—1925 гг.
в американской обсерватории Маунт Вилсон, расположенной на высоте 1800 м. Группой исследователей под руководством Д. К. Миллерабыли получены устойчивые положительные результаты, которые подтверждали наличиеэфира. Но все это произошло уже после того, как теория относительности Эйнштейнаполучила общее признание.Для того чтобы объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона, Лоренц в 1892г.
ввел достаточно искусственное предположение о том, что объекты (например, плечиинтерферометра Майкельсона) при движении сквозь эфир сокращаются в направлениидвижения.Одновременно с этим шел поиск преобразований, оставляющих уравнения Максвеллаинвариантными, т.е. сохраняющими свою форму при переходе от одной системы отсчетак другой. В том же 1892 г. Лоренц ввел так называемое местное время t' = t - (v/c2)x ипоказал, что уравнения Максвелла остаются неизменными при движении системы отсчетасквозь эфир. В 1904 г.
Лоренц вывел преобразования, на основе которых можноформально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной (х, у,z,t) к другой инерциальной системе координат.Лоренц не придавал преобразованиям характера общих пространственно-временныхзакономерностей и связывал их лишь с электромагнитными свойствами вещества и эфира,сторонником которого он был до конца жизни.Важную роль в формулировке физических идей, которые легли в основу специальнойтеории относительности, сыграл французский математик и физик А. Пуанкаре.
В 1898 г. встатье «Измерение времени» Пуанкаре выдвинул гипотезу постоянства скорости света иобратил внимание на условный характер понятия одновременности двух событий. В книге«Наука и гипотеза», изданной в 1902 г., Пуанкаре высказал идею о том, что не существуетабсолютного времени. Утверждение, что два промежутка времени равны, само по себе неимеет смысла и его можно применять только условно. В 1905 г. он сформулировалобобщенный принцип относительности, согласно которому все физические процессыв инерциальных системах отсчета протекают одинаково, независимо от того,неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного ипрямолинейного движения. Несмотря на то что фактически Пуанкаре сформулировалосновные постулаты СТО, его работы были написаны в духе эфирной теории Лоренца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
