Опыт Майкельсона - Морли

Время, согласно Ньютону, абсолютно, оно протекает равномерно, не имеет отношения к чему бы то внешнему. Время есть условие всякого процесса. Время обладает следующими характеристиками: одномерность, однонаправленность, необратимость.

Существовали во времена Ньютона и другие точки зрения на пространство и время (например, точка зрения Г.В.Лейбница), однако взгляды Ньютона были общепризнанны и доминировали вплоть до начала ХХ века.

Трудно переоценить творческое наследие И.Ньютона. Так, дальнейшее развитие естествознания блестяще подтвердило закон всемирного тяготения в масштабах не только планетной и звездной, но и внегалактической Вселенной. А понятие гравитации, открытое Ньютоном, получило дальнейшее развитие в общей теории относительности А.Эйнштейна.

В Х1Х веке физики разработали новый подход к ньютоновской теории тяготения. Они перенесли свое внимание с тел, обусловливающих гравитационное взаимодействие, на пространство между телами. Это произошло тогда, когда физики занялись изучением электромагнетизма. Начало этому изучению положили Майкл Фарадей (1791 – 1867) и Джеймс Максвелл (1831 – 1879). “Фарадей увидел среду там, где раньше не видели ничего, кроме расстояния… Фарадей искал суть явлений во взаимодействии со средой”, - писал Д.Максвелл. Теория тяготения Ньютона представляла собой теорию частиц и их взаимодействий. При новом подходе и частицы, и создаваемыеими гравитационныеполя играют одинаково важную и взаимодополняющую роль. Частицы служат источником гравитационных полей, которые в свою очередь воздействуют на частицы. Частицы не взаимодействуют друг с другом непосредственно на расстоянии: каждая частица испытывает ускорение в результате действия на нее гравитационного поля в той точке, где она находится. Таким образом, теория поля отвергает действие на расстоянии (принцип дальнодействия) и пустоту заменяет средой. В физике принято, что число силовых линий, проводимых к точечной массе, должно быть пропорционально величине этой массы. Величина гравитационного взаимодействия в данной точке пространства пропорциональна плотности силовых линий в окрестности этой точки. Чем теснее изображены силовые линии, тем сильнее гравитационное поле в этой области, а там, где силовые линии отстоят далеко друг от друга, поле слабое.

М.Фарадей ввел в науку понятие электромагнитного поля. Он поставил следующий опыт: вращал замкнутый электрический контур в магнитном поле и обнаружил, что в нем возникает электрический ток. А датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777 – 1851) показал, что электрический контур, по которому проходит электрический ток, обладает свойствами магнита. Таким образом, были объединены электричество и магнетизм и признана их единая природа. В дальнейшем немецкий физик Генрих Герц (1857 – 1894) обнаружил беспроволочное распространение электромагнитных волн в эфире. Он доказал, что электромагнитные (световые) волны есть то же, что и переменные электромагнитные поля. Обобщает и математически обрабатывает явления электромагнетизма Д.Максвелл. Он создает математическую теорию электромагнетизма, открывает его законы.

Законы Ньютона, и особенно его теория тяготения, а также последовавшая за ней теория электромагнетизма заложили фундамент для дальнейшего развития представлений о мире.

ЛЕКЦИЯ № 5. Принцип относительности. Теория относительностиА.Эйнштейна.

Принцип относительности. Впервые мы с ним сталкиваемся уже в 4 апории Зенона Элейского “Стадий”, когда два тела движущихся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями, за равные промежутки времени проходят относительно неподвижного наблюдателя половину пути, а относительно друг друга – целый путь. В 4 в. до н.э. Зенон не смог обосновать принцип относительности движения и вынужден был объявить движение не существующим с точки зрения разума.

В 17 в. принцип относительности движения находит свое развитие в работах Р. Декарта. Он писал, что если одна частица движется к другой, то с таким же правом можно считать, что вторая движется к первой. На этом основании Декарт заключил, что состояние движения ничем не отличается от состояния покоя. Говорить о движении вообще, бессмысленно. Можно лишь говорить о движении относительно какого-то выбранного тела, точки отсчета. Это тело помещается в основании системы отсчета, Декартовой системы координат.

Следующим этапом развития принципа относительности движения является представление об инерциальной системе, выдвинутое Г. Галилеем и И. Ньютоном. Процессы движения в классической механики происходят в особых привилегированных системах, инерциальных системах. Инерциальная система – это система покоящаяся или движущаяся равномерно прямолинейно и сколь угодно долго. Так, в первом законе И. Ньютона сказано, что если на тело не действует ни какая сила или действие сил скомпенсировано, то тогда, если телу сообщить импульс, то оно будет двигаться равномерно, прямолинейно и сколь угодно долго. Принцип относительности движения в данном случае означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формулой, синхронизированные часы идут одинаково, а два разных наблюдателя, находящихся в инерциальных системах, не заметят никаких изменений.

Принцип относительности Г. Галилея. Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой. Если же две системы координат движутся друг относительно друга неравномерно, то законы механики не могут быть справедливы в обеих системах одновременно. Системы координат, в которых законы механики справедливы, называются инерциальными системами. Однако вопрос о том существует ли вообще инерциальная система еще не решен. Но если есть хотя бы одна такая система, то их имеется бесконечное множество. Каждая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно первоначальной, является тоже инерциальной системой.

В первой четверти 19 века произошла вторая в истории естествознания научная революция, приведшая к полной ломке классической механистической картины мира. Своим свершением она была обязана выдающемуся немецкому физику А.Эйнштейну.

Итак, какие же идеи и научные положения господствовали в науке в конце 19 – начале 20 века? Господствовали идеи электродинамики Максвелла и Лоренца, опирающиеся на представления о независимом существовании таких фундаментальных сущностей как пространство, время,материя.Пространство рассматривалось как плоское, евклидово, бесконечное. Материя – состоящей из нейтральных атомов. Были известны два фундаментальных типа взаимодействия – гравитационное иэлектромагнитное. Абсолютной системой отсчета считался мировой эфир, заполняющий весь космос. Свет рассматривался как колебания эфира. Законы, открытые для макроскопических тел и процессов, экстраполировались на всю шкалу масштабов – от космологических, до масштабов микромира.

Однако уже в конце 19 века физики задались вопросом, существует ли мировой эфир? В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард Морли предположили, что если мировой эфир существует, тогда при движении Земли вокруг Солнца сквозь эфир должен возникать “эфирный ветер”. Если свет – форма движения мирового эфира, то скорость луча света должна зависеть от скорости движения Земли и складываться из собственной скорости света (с= 300.000 км\с) и скорости движения Земли (v = 30 км\с) при их встречном движении. Однако в опытах Майкельсона – Морли скорость света оставалась величиной постоянной.

М1

М М2

S Т

Где S – пучок света, Т – телескоп, М – полупрозрачное зеркало, М1 и М2 - отражающие зеркала. После отражения от зеркал М1 и М2 пучки света сходятся на зеркале М, откуда направляются к телескопу Т. При ММ1 = ММ2 в телескопе будет наблюдаться система интерференционных полос (комбинация ярких и темных полос). Если бы существовал эфир, то время прохождения луча света по горизонтальному и вертикальному направлениям было бы различным, а в телескоп наблюдалась бы иная картина.

Перед физиками встала проблема создания новой фундаментальной теории. Эту проблему удается решить в 1905 году А. Эйнштейну (1879 – 1955), созданием Специальной теории относительности. (Популярным изложением основных идей теории относительносим А.Эйнштейна являются: Эйнштейн А. Физика и реальность. М., 1967., Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.)

Специальная теория относительности начинается с двух положений:

1.Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2.Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Однако, в результате рассмотрения различных систем отсчета, Эйнштейн приходит к выводу, что положения указанные выше, то есть теория относительности, побуждают нас отказаться от этого взгляда. “Два события, одновременные в одной системе координат, не могут быть одновременны в другой системе”. Эйнштейн, отказавшись от идеи мирового эфира, провозгласил все системы отсчета принципиально равноправными, а всякое движение относительным. В преобразованиях Лоренца, открытых для описания электромагнитного поля (S2 = x2 + y2 + z2 – c2 t2) отражаются не реальные изменения размеров тел при их движении, а изменения результатов измерения в зависимости системы отсчета (наблюдателя). Таким образом, относительными стали понятия “длина”, “промежуток времени”, “одновременность”, “масса”. В качестве величины, не зависящей от системы отсчета, инварианта стали рассматриваться скорость света в вакууме (с), пространственно-временной интервал (S) и само событие. Специальная теория относительности показала неразрывную связь пространства и времени, после чего физики стали говорить о едином пространственно-временномконтинууме.

Специальная теория относительности описывает законы всех физическихпроцессов при любых скоростях движения, но без учета силы тяготения. Другое дело, что экспериментально обнаружить релятивистские эффекты можно лишь при очень больших скоростях, скоростях близких к скорости света. При небольших скоростях движения специальная теория относительности Эйнштейна сводится к классической механике Ньютона, которая оказывается ее частным случаем.

Согласно теории Эйнштейна, для наблюдателя из другой системы отсчета размеры тел в наблюдаемой системе сокращаются в направлении движения системы. Относительной величиной оказывается и инертная масса тела (m), введенная Ньютоном как величина абсолютная.

M = ______ mo ___________

Y 1 – (V/ c)2

Где mo – масса покоящегося тела, V – скорость движения тела, с – скорость света. Мы видим, что с приближением скорости тела (V) к скорости света (с ) масса тела стремится к бесконечности.

В движущейся системе время замедляет свой ход, течет медленнее. Эйнштейном приводится эффект близнецов. Так, один из братьев-близнецов отправляется на ракете в космическое путешествие со скоростью V = 0,99 c на один земной год. Но в то время как на космическом корабле пройдет 1 год, на Земле пройдет 50 лет и возвратившийся из путешествия космонавт вряд ли узнает своего брата-близнеца состарившегося на 50 лет. Но даже если мы будем путешествовать на обычном поезде, то наши ручные часы будут идти медленнее, чем часы на станции, мимо которой мы проезжаем, правда разница во времени будет столь мала, что мы ее не зафиксируем.

Наконец, Эйнштейн провозгласил в качестве универсального законавывод о связи массы и энергии тела. Е = М х С2. Закон этот не означает превращения массы в энергию или энергии в массу, а утверждает постоянство соотношения в теле инертной массы и полной энергии. Так, при любом уменьшении массы уменьшается и энергия тела и наоборот. Чтобы изменить скорость движущегося тела, ему нужно сообщить энергию. В соответствии с выше приведенной формулой кусок раскаленного железа будет весить больше, чем кусок железа холодного той же массы. Возникает вопрос, а правомерно ли измерять энергию не в Джоулях, а в граммах? Правомерно, особенно если иметь дело с огромным количеством Джоулей, то есть с огромной энергией. Так, чтобы превратить в пар 30.000 тонн воды потребуется 1 грамм энергии (теплоты).

В 1916 году Эйнштейн завершил создание теории относительности, дополнив Специальную теорию относительности Общей теориейотносительности. Общая теория относительности стала дальнейшем развитием и обобщением ньютоновской теории тяготения. Общая теория относительности Эйнштейна вскрыла глубокую связь между пространством, временем, материей и процессом тяготения. Геометрические свойства пространства-времени стали определятся количеством, распределением и движением материи. Поскольку пространство немыслимо без материи, оно оказывается не плоским, а искривленным и с приближением к областям с повышенной плотностью кривизна материи возрастает. Такое пространство нельзя описать геометрией Евклида. В описании такого пространства нашла свое применение и обрела физический смысл неевклидова геометрия, возникшая еще в первой половине 19 века (Карл Гаусс (1777-1855), Бернхард Риман(1826-1866), Янош Бойаи(1802-1860), Николай Иванович Лобачевский(1793-1856)). Подобно евклидовой, неевклидово пространство также бесконечно. Его геометрические свойства удовлетворяют всем аксиомам Евклида, за исключением аксиомы параллельности: если на евклидовой плоскости через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной, то в неевклидовой геометрии параллельных прямых можно провести бесконечное множество. Создание неевклидовой геометрии показало, что аксиомы Евклида не обязательно должны выполняться. Они всего лишь самосогласованны, как, впрочем, и аксиомы неевклидовой геометрии. Утверждение “геометрия физического пространства есть Х” в современной интерпретации означает: “Космологическая теория, использующая геометрию Х, более точно соответствует наблюдательным данным, чем теории, основанные на альтернативных геометриях”. Так, в плоском пространстве Евклида кротчайшим расстоянием является прямая, сумма углов треугольника равна 180 градусам, кривизна пространства равна 0 и используется Декартова система координат. В сферическом пространстве Б. Римана кривизна пространства больше 0, кротчайшим расстоянием является дуга (геодезическая кривая), сумма углов треугольника больше 180 градусов и используется гауссова система координат. В псевдосферическом пространстве Н. Лобачевского кротчайшим расстоянием является вогнутая дуга, кривизна пространства меньше 0, сумма углов треугольника меньше 180 градусов, используется гауссова система координат. В Общей теории относительности нашла свое применение геометрия Б. Римана.

В Общей теории относительности получило объяснение всемирное тяготение как результат движения в искривленном вблизи другого тела пространстве. Это касается и света – потока фотонов, поскольку фотоны тоже обладают массой (только масса покоя фотона равна 0).

Общая теория относительности нашла и экспериментальные подтверждения своей истинности. Так, 29 мая 1919 года Эддингтоном и Дайсоном было подтверждено предсказание Общей теории относительности об отклонении луча света от прямолинейной траектории вблизи Солнца. Так же было подтверждено отклонение эллиптической орбиты Меркурия под воздействием искривленного пространства вблизи Солнца на 1 градус за период полного обращения Меркурия вокруг Солнца.

Сегодня показано, что при достаточно большой средней плотности материи во Вселенной, ее пространство может стать полностью замкнутым, конечным; луч света будет двигаться в нем подобно спутнику – по окружности и уже не сможет принести никакой информации другим областям Вселенной о нас.

Дата добавления: 2014-01-07