Основные достижения классической физики
реклама
ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 2 1. ЗАРОЖДЕНИЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ................................................ 4 2. РАЗВИТИЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ....................................................... 9 3. ТРЕТИЙ ЭТАП КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ .............................................. 16 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 24 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................. 26 2 ВВЕДЕНИЕ Классическая физика — физика до появления квантовой теории и теории относительности. Основы классической физики были заложены в средние века Ньютоном и другими физиками. Классическая физика основана на следующих принципах: - причины должны быть жестко связаны со следствиями (детерминизм) - пространство обладает евклидовой геометрией - течение времени одинаково в любых системах отсчета и не зависит от скорости их движения относительно друг друга Период от древнейших времен до начала ХVII в. – это предыстория физики, период накопления физических знаний об отдельных явлениях природы, возникновения отдельных учений. В соответствии с этапами развития общества в нем выделяют эпоху античности, средние века, эпоху Возрождения. Физика как наука берет начало от Г. Галилея – основоположника точного естествознания. Период от Г. Галилея до И. Ньютона представляет начальную фазу физики, период ее становления. Выделяют три периода классической физики: Первый этап (конец ХVII в. – 60-е гг. ХIХ в.). Второй этап (60-е гг. ХIХ в.– 1894 г.). Третий этап (1895 – 1904). Классическая фундаментальная физика в настоящее время достигла такого высокого уровня развития, что в рамках этой физики можно логически связанно объяснить и вычислить практически любые явления и физические эффекты в природе, что и обусловило актуальность нашего исследования. Цель работы – проанализировать основные достижения классической физики. 3 В соответствии с поставленными целью решались следующие основные задачи: - рассмотреть достижения классической физики период зарождения - изучить развитие классической физики; - проанализировать третий этап классической физики Методы исследования: -обработка, анализ научных источников; -анализ научной литературы, учебников и пособий по исследуемой проблеме. Объект исследования – классическая физика Предмет исследования – основные достижения классической физики 4 1. Зарождение классической физики Начало первого - классического - периода в истории науки обычно связывают с именем И. Ньютона. Начинается данный этап коней ХVII в. – 60-е гг. ХIХ в Исаак Ньютон (1643-1727), родившийся вскоре смерти Галилея, унаследовал, таким образом, все методы, знания и новые идеи предыдущего поколения ученых и создал теорию, которая на два столетия определила развитие науки. В своем основном труде «Математические начала натуральной философии», опубликованной по настоянию и на деньги своего друга – астронома Э. Галлея (открывшего, в частности, знаменитую комету Галлея), обобщил открытия Галилея в качестве двух законов, добавив к ним третий закон и закон всемирного тяготения. Развитие физики в 17-18 веках было подготовлено трудами, наблюдениями, идеями, догадками ученых античности и средневековья. Ньютон сам говорил, что своими успехами он обязан тому, что «…стоял на плечах гигантов». Ньютон создал динамику – учение о движении тел, которое вошло в науку также под названием «механика Ньютона»1. Велик вклад Ньютона и в математику, и в оптику, однако, фундаментом классического естествознания стала созданная им механика, которая не только навела порядок в огромном эмпирическом материале, накопленном многими поколениями ученых, но и дала в руки людей мощный инструмент однозначного предсказания будущего в широкой области объектов и явлений природы. Причины перемещения тел в пространстве, закономерности этих перемещений, способы их адекватного описания всегда были в центре внимания человека, так как непосредственно касались наиболее близкой религиозному сознанию области естествознания, а именно - движения 1 Рузавин, Г.И. Концепции М. : Юнити, 2005. - 287 с. современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - 5 небесных тел. Поиск закономерностей этих движений был для человека не столько связан с удовлетворением научной любознательности, сколько преследовал глубокую религиозно-философскую цель: познать смысл бытия. Поэтому такое значение во все времена уделялось астрономическим наблюдениям, тщательной фиксации мельчайших подробностей в поведении небесных тел, интерпретации повторяющихся событий. Приняв за основу возможность локализации физических объектов в пространстве и во времени, классическая механика начинает изучение законов движения с наиболее простого случая: с изучения законов движения материальной точки, т.е. физического объекта бесконечно малых размеров, обладающего конечной массой. Эта схематическая идея элементарной частицы, которую аналитическая механика предпосылает изложению законов динамики, полностью отвечает представлению о дискретности материи. И поэтому совершенно естественно, что полвека назад, когда физики пытались представить себе материю как совокупность находящихся в движении элементарных частиц, в динамике материальной точки они нашли как раз тот инструмент, который был необходим для их теоретических построений2. Динамика материальной точки исходит из принципа инерции, согласно которому материальная точка, на которую не действуют никакие внешние силы, сохраняет со временем свое состояние движения (или покоя). Это положение строго выполняется, во всяком случае тогда, когда речь идет о так называемых галилеевых системах координат, например системе, связанной с неподвижными звездами. Особая роль галилеевых систем координат следует из их определения. Если трехмерное пространство, в котором локализуются все физические объекты, понимать как пространство, имеющее некий абсолютный смысл, то под галилеевыми системами понимаются системы 2 Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с. 6 координат, движущиеся прямолинейно и равномерно относительно абсолютного пространства. Согласно принципу инерции, свободная материальная точка движется прямолинейно и равномерно, либо в частном случае, когда ее скорость равна нулю, остается в состоянии покоя. Таким образом, вполне естественно предположить, что действие некоторой силы на материальную точку сводится просто к изменению ее скорости. Наиболее простой гипотезой будет предположение, что мгновенное изменение скорости материальной точки прямо пропорционально величине, действующей на нее силы, а коэффициент пропорциональности тем меньше, чем больше ее инерция, т.е. чем сильнее она противодействует изменению ее скорости3. Ньютоном были открыты четыре закона механики: I закон, или закон инерции. (Фактически, это закон, открытый еще Галилеем, но сформулированный более строго): всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. II закон. Этот закон по праву является ядром механики. Он связывает изменение импульса тела (количества движения) него силой с действующей на , т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. Так как в механике Ньютона масса не зависит от скорости (в современной физике, как мы впоследствии увидим, это не так), то где а – ускорение противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Масса в этом выражении предстает как 3 Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания М. : Высш. шк., 2003. - 208 с. : учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - 7 мера инертности. Нетрудно увидеть, что при постоянной силе воздействия ускорение, которое можно придать телу тем меньше, чем больше его масса. III закон отражает тот факт, что действие тел всегда носит характер взаимодействия, и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению. IV закон, сформулированный Ньютоном – это закон всемирного тяготения. Логическая цепочка этого открытия может быть выстроена следующим образом. Размышляя о движении Луны, Ньютон сделал вывод, что она на орбите удерживается той же силой, под действием которой камень падает на землю, т.е. силой тяготения: «Луна тяготеет к Земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите»4. Используя формулу своего современника Гюйгенса для центростремительного ускорения и астрономические данные, он нашел, что центростремительное ускорение Луны в 3600 раз меньше ускорения падения камня на Землю. Поскольку расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то можно предположить, что сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния. Затем, на основе законов Кеплера, описывающих движение планет, Ньютон распространяет этот вывод на все планеты. («Силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его»). Наконец, высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты», установив экспериментально пропорциональность массы тела и его веса (силы тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел. 4 Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. М.:ИНФРА-М, 2003 8 Так был установлен знаменитый закон всемирного тяготения, который записывается в виде: , где g - гравитационная постоянная, впервые определенная экспериментально в 1798 г. Г. Кавендишем. По современным данным g = 6,67*10-11Н*м2/кг2. Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации, т.е. определяет силу тяготения между материальными телами. Важность закона всемирного тяготения состоит в том, что Ньютон, таким образом, динамически обосновал систему Коперника и законы Кеплера. Одним из величайших достижений на этом поприще стали эмпирические законы И. Кеплера, которые убедительно показали существование порядка в движении планет Солнечной системы. Решающий же шаг в понимании причин этого порядка был сделан И. Ньютоном. Созданная им классическая механика в чрезвычайно лаконичной форме обобщила весь предшествующий опыт человечества в изучении движений. Оказалось, что все многообразие перемещений макроскопических тел в пространстве может быть описано всего лишь двумя законами: законом инерции (F = ma) и законом всемирного тяготения (F = Gm1m2 / r2). И не только законы Кеплера, относящиеся к Солнечной системе, оказались следствием законов Ньютона, но и все наблюдаемые человеком в естественных условиях перемещения тел стали доступными аналитическому расчету. Точность, с которой такие расчеты позволяли делать предсказания, удовлетворяли любые запросы. Сильнейшее впечатление на людей произвело обнаружение в 1846 году ранее неизвестной планеты Нептун, положение которой было рассчитано заранее на основании уравнений Ньютона (Адамс и Леверье). К середине XIX века авторитет классической механики возрос настолько, что она стала считаться эталоном научного подхода в 9 естествознании. определенность Широта охвата (детерминизм) явлений выводов, природы, характерные однозначная для механики Ньютона, были настолько убедительны, что сформировалось своеобразное мировоззрение, в соответствии с которым механистический подход следует применять ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные, и что надо только определить начальные условия, чтобы проследить эволюцию природы во всем ее многообразии. Это мировоззрение часто называют «детерминизмом Лапласа», в память о великом французском ученом П-С. Лапласе, внесшем большой вклад в небесную механику, физику и математику. Очень образно об этом сказал сам Лаплас: «Ум, которому были бы известны для какого-либо момента времени все силы, одушевляющие природу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением атомов. И будущее, также как и прошедшее предстало бы перед его взором»5. Однако, эта программа - сведение всех природных явлений к механическому движению под действием сил - оказалась не реализованной, прежде всего, из-за проблем с описанием световых, электрических и магнитных явлений. 2. Развитие классической физики Механика и связанные с ней области, а также акустика и оптика возникли очень давно, поскольку они изучают явления, с которыми человек непрерывно сталкивается в своей повседневной жизни. Наука же об электричестве, напротив, появилась сравнительно недавно. Конечно, некоторые факты, как например, электризация тел трением или свойства природных магнитов, были известны уже и раньше. Не могли не обратить на 5 Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007 10 себя внимания и такие величественные и странные явления природы, как грозы. Однако вряд ли эти факты в достаточной степени исследовались и сопоставлялись до конца XVIII в. и вряд ли кто-либо четко представлял себе в то время, что они станут объектом изучения новой науки, составляющей одну из важнейших областей современной физики. Это стало ясно лишь в конце XVIII и начале XIX в. Интересно отметить, что в то же самое время были открыты явления интерференции и построена волновая теория. Этот замечательный период в истории развития науки, когда возникла волновая оптика и современная теория электричества, был для макроскопической физики тем же, чем были последние 50 лет для атомной физики Второй этап классического периода физики это 60-е гг. ХIХ в.– 1894 г. Во второй половине XIX века стало ясно, что материальный мир не сводится только к механическим перемещениям вещества. Еще одной формой существования материи было признано электромагнитное поле, наиболее полную теорию которого создал Дж.К. Максвелл. Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Дело в том, что Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который никогда не погрязал в формулах – сказал о нем А. Эйнштейн)6. Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков. Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В 6 Солопов, Е.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Е.Ф. Солопов. - М. : Владос, 2003. - 232 с. 11 последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла. Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия7. Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям Уравнения Максвелла состоят из двух векторных уравнений, эквивалентных шести уравнениям для компонент, и двух скалярных уравнений. Эти уравнения связывают компоненты векторов электрического и магнитного полей и векторов электрической и магнитной индукции между 7 Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания М. : Высш. шк., 2003. - 208 с. : учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - 12 собой и с плотностями электрического заряда и тока. Одно из векторных уравнений выражает закон индукции, открытый Фарадеем. Одно из скалярных уравнений отражает невозможность выделения магнитных зарядов или полюсов одного знака, другое формулирует электростатическую теорему Гаусса. Эти уравнения стали обобщением уже известных законов. Однако второе векторное уравнение содержит существенно новый элемент, внесенный в теорию собственно Максвеллом. Второе векторное уравнение должно было отразить связь, существующую между магнитным полем и электрическим током, согласно закону Ампера. Согласно этому закону, ротор от вектора напряженности магнитного поля должен быть равен (с точностью до постоянной, зависящей от выбора системы единиц измерений) плотности электрического тока. Но Максвелл заметил, что если определить входящую в это уравнение плотность тока как плотность только тока, связанного с переносом заряда, то это приводит к целому ряду трудностей. Чтобы избежать их, он выдвинул блестящую идею – обобщить выражение для плотности тока, добавив к так называемому току проводимости, обусловленному переносом заряда, слагаемое, пропорциональное скорости изменения во времени вектора электрической индукции. Это слагаемое представляет собой новый вид тока, ток смещения, который в отличие от тока проводимости вовсе не обязательно связан с перемещением электрических зарядов. Так, например, в поляризуемой среде часть тока смещения связана с перемещением электрических зарядов, другая же его часть, отличная от нуля даже в пустоте, если электрическое поле переменно во времени, совершенно не связана с движением зарядов. Благодаря введению токов смещения трудности, о которых мы упоминали, исчезли. Сложный вопрос о замкнутых и незамкнутых токах, занимавший теоретиков того времени, разрешился сам собой, поскольку, если принять во внимание токи смещения, то все эти токи окажутся замкнутыми. 13 Но самая гениальная идея Максвелла, выдвинутая после написания общих уравнений электромагнитных явлений, состояла в том, что эти уравнения дают возможность рассматривать свет как электромагнитное возмущение. Это в свою очередь позволило объединить две казавшиеся столь различными области физики и рассматривать всю оптику как частный случай электродинамики – один из наиболее замечательных примеров синтеза, который дает нам история развития физики8. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым. Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму». Развитие корпускулярно-континуальных представлений в трудах Максвелла. Развивая теорию электромагнитного поля, Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц»9 Это было сказано в 1873 г. задолго до открытия электрона. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого. Одним из наиболее блестящих подтверждений теории Максвелла было открытие Герцем электромагнитных волн, названных в его честь волнами 8 9 Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания: - М. : Дашков и К, 2005. - 692 с. Солопов, Е.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Е.Ф. Солопов. - М. : Владос, 2003. - 232 с. 14 Герца. Электромагнитная теория предсказывала, что при достаточно быстром изменении электрического тока в цепи возможно излучение и окружающее пространство электромагнитной волны, которая, согласно идеям Максвелла, должна иметь структуру, совершенно аналогичную структуре световой волны. Но волны, которые можно было бы получать с помощью соответствующего электрического контура, обладали всегда частотой, гораздо меньшей, и соответственно длиной волны, гораздо большей, чем частота и длина световых волн. Отсюда, естественно, вытекало и различие между свойствами этих волн: волны Герца не воздействуют на наши органы чувств и, что связано с большой длины волны, легко огибают непрозрачные препятствия, встречающиеся на их пути. Однако, несмотря на эти различия, имелась и большая общность между световыми волнами и волнами Герца. В частности, с последними можно было повторить ставшие классическими эксперименты по отражению, преломлению, интерференции или дифракции волн. Необходимые для этого экспериментальные установки должны в основном быть такими же, хотя, разумеется, и гораздо больших масштабов в соответствии с изменившейся длиной волны. Это памятное открытие волн Герца и их свойств не оставило больше никаких сомнений в правильности основных идей Максвелла, касающихся электромагнитной природы света. И нет, пожалуй, нужды напоминать, что именно открытие волн Герца позволило осуществить беспроволочный телеграф, а позднее способствовало развитию других средств связи на расстоянии. Разработав ЭМКМ (электромагнитную картину мира), Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна. Электронная теория Лоренца Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. 15 Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах. В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1987 г. был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу10. Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях. 1. В металле есть свободные электроны – электроны проводимости, образующие электронный газ. 2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы. 3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля. 4. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление. Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах 20 в. В 1902 г. в опытах Кауфмана было обнаружено, что отношение заряда e к его массе m не является постоянной величиной, а зависит от скорости (с 10 Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах : Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. - Новосибирск : Сибирское унив. изд-во, 2003. - 407 с. 16 ростом скорости оно уменьшается). Из теории следовало, что q = const. Значит, растет масса. Возник вопрос, как это понять? Ответ был дан позже в специальной теории относительности. 3. Третий этап классической физики После этого, в конце XIX в., большинство ученых считало, что создание полной и окончательной естественнонаучной картины мира практически завершено. Все явления природы, в соответствии с этой картиной мира, являются следствием электромагнитных и гравитационных взаимодействий между зарядами и массами, которые приводят к однозначному, полностью определенному начальными условиями поведению тел (концепция детерминизма). Критериями истинности в такой картине мира являются, с одной стороны, эксперимент («практика - критерий истины»), а с другой стороны - однозначный логический вывод (с XVII века, как правило, математический) из более общих посылок (дедукция). Отметим здесь также, что одним из главных методологических принципов классического естествознания являлась независимость объективных процессов в природе от субъекта познания, отделенность объекта от средств познания11. Применение классической физики возможно в масштабах наших повседневных явлений. Но при переходе к масштабам атомов классическое описание уже неприменимо. Это связано с величиной постоянной Планка; в обычных условиях возмущения, вносимые вследствие влияния квантов, почти невозможно измерить. В этом мире бегущая через лес газель из-за дифракции превращалась в стадо, автомобиль туннелировал сквозь стену в дом.) Классическая физика изображала Вселенную в виде огромного механизма, поведение которого можно совершенно точно описать, задав 11 Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. М.:ИНФРА-М, 2003 17 положение всех его частей в пространстве и изменение положения со временем. Этот взгляд основывался на некоторых гипотезах. Во-первых, считалось, что можно одновременно задать параметры, отвечающие локализации объекта и его движению. Однако это противоречит существованию кванта действия в квантовой физике. Во-вторых, в классической физике полагается, что можно сделать пренебрежимо малым влияние возмущений, вносимых процессом измерения. Но для атомных масштабов попытка измерить какую-либо величину приводит к неконтролируемому изменению других величин – свойств системы. Особое место в классической физике занимает теория относительности Эйнштейна. Развитие теории относительности началось с изучения некоторых вопросов, связанных движущихся средах. с оптическими Представление явлениями, Френеля о происходящими свете в предполагало существование эфира, заполняющего всю Вселенную и проникающего во все тела. Теория Максвелла уже не требовала, чтобы световые колебания были колебаниями какой-то среды. Но уравнения Максвелла не удовлетворяли принципу относительности классической механики. То есть они становились неверными при переходе в другую движущуюся систему координат по классическим законам преобразования координат. Пришлось возвращаться к понятию эфира и считать, что уравнения Максвелла верны только в том случае, если система отсчета неподвижна относительно эфира. В этом случае изменение скорости движения Земли относительно эфира из-за вращения вокруг Солнца должно было быть зарегистрировано в интерференционных измерениях. Опыт Майкельсона – Морли показал, что никакого движения относительно эфира нет12. 12 Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3- е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с. 18 Почти одновременно с этим были выведены преобразования Лоренца, относительно которых уравнения Максвелла были инвариантны. Были сделаны многочисленные попытки связать эти результаты с классическими представлениями, но все они носили искусственный характер. Делалось даже предположение, что при движении относительно эфира предметы действительно сокращаются. Эйнштейн в 1905 г. нашел правильную интерпретацию. Она заключалась в том, что именно преобразование Лоренца выражает точную связь между наблюдателями в разных системах отсчета. Отсюда возникают хорошо известные следствия – кажущееся сокращение размеров предметов и замедление хода часов. Также были сделаны обобщения уравнений динамики, в частности было установлено соотношение массы и энергии покоя. Основу специальной теории относительности составляют два постулата (принципа): 1. Принцип относительности Эйнштейна. Этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных систем отсчета протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальных систем отсчета (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета). 2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. 19 Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе. Это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант. Глубокий анализ этих постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона и отраженным в преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1 все законы природы, в том числе законы механики и электродинамики, должны быть инвариантны по отношению к одним и тем же преобразованиям координат и времени, осуществляемым при переходе от одной системы отсчета к другой. Уравнения Ньютона этому требованию удовлетворяют, а вот уравнения электродинамики Максвелла – нет, т.е. оказываются не инвариантными. Это обстоятельство привело Эйнштейна к выводу о том, что Уравнения Ньютона нуждаются в уточнении, в результате которого как уравнения механики, так и уравнения электродинамики оказались бы инвариантными по отношению к одним и тем же преобразованиям. Необходимое видоизменение законов механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся с принципом относительности Эйнштейна – релятивистская механика13. Классические относительно уравнения ньютоновой преобразования Галилея. И механики если инвариантны рассматривать это преобразование как соотношение, отражающее истинную связь между координатами, измеряемыми двумя наблюдателями, движущимися Друг относительно друга прямолинейно и равномерно, то отсюда однозначно следует, что уравнения Ньютона справедливы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно относительно системы неподвижных звезд. Во всех этих системах координат механические явления будут подчиняться одним и тем же законам и, следовательно, никакие механические явления не могут позволить определить скорость системы 13 Рузавин, Г.И. Концепции М. : Юнити, 2005. - 287 с. современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - 20 отсчета, в которой производятся измерения относительно неподвижных звезд. В этом и состоит принцип относительности старой механики. Но с тех пор как Эйнштейн показал, что связь между координатами двух движущихся систем отсчета дается не преобразованием Галилея, а преобразованием Лоренца, положение совершенно изменилось. И, в частности, принцип относительности оказался применимым к оптическим и электромагнитным явлениям, что полностью согласуется с отрицательными результатами опыта Майкельсона и аналогичных ему других экспериментов. Но уравнения ньютоновой механики оказались неинвариантными относительно преобразования Лоренца, и, следовательно, принцип относительности оказался для механических явлений, строго говоря, уже несправедливым. Однако Эйнштейн считал этот вывод неправильным и исходил из предположения о том, что принцип относительности должен быть справедлив для всех физических явлений, в частности и для механических. Но тогда уравнения механики нужно было обобщить таким образом, чтобы они стали инвариантными относительно преобразования Лоренца14. При этом новые уравнения должны совпадать в первом приближении со старыми уравнениями Ньютона во всех исследованных ранее случаях, где экспериментальные данные блестяще подтверждали эту теорию. Стало понятно, каким образом необходимо было обобщить основные уравнения механики, чтобы они оказались инвариантными относительно преобразования Лоренца. Уравнения Ньютона утверждают, что производная импульса по времени равна действующей силе. В динамике Эйнштейна это утверждение сохраняет свою силу с той лишь разницей, что импульс определяется там несколько иным образом. Под импульсом материальной точки релятивистская механика понимает не просто произведение массы материальной точки на ее скорость, а произведение массы на частное от деления скорости на некоторую функцию, зависящую от квадрата отношения 14 Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007 21 скорости материальной точки к скорости света в пустоте. Поскольку в обычных условиях скорость материальных тел достаточно мала и квадрат отношения ее к скорости света пренебрежимо мал по сравнению с единицей, то эта функция без заметной ошибки может быть положена равной единице, и мы снова приходим к старым нерелятивистским уравнениям механики. Однако при скоростях, сравнимых со скоростью света, эта функция отлична от единицы и существенно зависит от величины скорости. Отсюда следует отличие релятивистских законов от нерелятивистских, которое тем более заметно, чем ближе скорость тела к скорости света. Кстати, из новых уравнений механики с очевидностью следует, что скорость материальной точки никогда не может достигнуть скорости света в пустоте. Таким образом, скорость света в пустоте оказывается верхним пределом скорости передачи энергии в пространстве. И так a posteriori оказывается оправданной одна из гипотез, сделанных Эйнштейном при анализе методов синхронизации часов. Важнейшим следствием специальной теории относительности явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е = mc2, подтвержденная данными современной физики. Высшим достижением Эйнштейна стала общая теория относительности. В 1916 г. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, над которой работал в течение 10 лет. Общая теория относительности обобщила специальную теорию относительности на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы общей теории относительности сводятся к следующему: - ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется); - распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные). Изменения, вносимые теорией относительности в уравнения классической механики, сводятся к замене старого импульса произведением 22 некоторой константы, характеризующей свойства материальной точки, на частное от деления ее скорости на функцию, также зависящую от скорости. При желании, однако, можно и в релятивистской механике определить импульс так же, как и в нерелявистской, т.е. как произведение массы на скорость, с той лишь разницей, что в этом случае масса будет уже зависеть от скорости. Поскольку дополнительная функция, фигурирующая в релятивистском выражении для импульса, стремится к единице, когда скорость стремится к нулю, то отсюда следует, что константа должна быть положена равной массе покоя материальной точки, или, как иногда говорят, собственной массе. Последнее название связано с тем, что именно эту величину массы измерил бы наблюдатель, движущийся с той же скоростью, что и материальная точка. Как уже было отмечено, зависимость массы от скорости становится существенной лишь для достаточно больших скоростей, сравнимых со скоростью света. Основная идея общей теории относительности заключается в том, что гравитационные силы всегда пропорциональны массе тел, на которые они действуют. Тогда траектория тел определяется только свойствами гравитационного поля и не зависит от свойств движущегося тела. Это позволило Эйнштейну учесть влияние гравитационных полей введением локальной кривизны четырехмерного пространства. В этом случае положение какой-либо точки в пространстве может быть определено только с помощью криволинейных координат, что приводит к появлению гравитационных сил15. Из общей теории относительности был получен ряд важных выводов: 1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи. 2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. 15 Покровский, А.К. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / А.К. Покровский, Л.Б. Миротин; под ред. Л.Б. Миротина. - М.: Экзамен, 2005. - 480 с 23 В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как писал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. В 1919 г. научные экспедиции Лондонского Королевского общества, направленные для изучения солнечного затмения подтвердили правильность этого утверждения. 3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений. В результате этого эффекта линии солнечного спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-26 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. при изучении спутника Сириуса. Все это явилось убедительным подтверждением общей теории относительности. Следует сказать, что общей теории относительности произвела настоящий переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной. Вокруг теории относительности развернулись широкие дискуссии, в которые включились люди разных специальностей, появилось множество научных и научно-популярных книг. Философские дискуссии, так или иначе связанные с идеями специальной и общей теории относительности продолжаются и по сей день. 24 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, период от древнейших времен до начала ХVII в. – это предыстория физики, период накопления физических знаний об отдельных явлениях природы, возникновения отдельных учений. В соответствии с этапами развития общества в нем выделяют эпоху античности, средние века, эпоху Возрождения. Физика как наука берет начало от Г. Галилея – основоположника точного естествознания. Период от Г. Галилея до И. Ньютона представляет начальную фазу физики, период ее становления. Последующий период начинается И. Ньютоном, заложившим основы той совокупности законов природы, которая дает возможность понять закономерности большого круга явлений. И. Ньютон построил первую физическую картину мира (механическую завершенную систему механики. Возведенная картину природы) как И. Ньютоном и его последователями, Л. Эйлером, Ж. Даламбером, Ж. Лагранжем, П. Лапласом и другими, грандиозная система классической физики просуществовала незыблемо два века и только в конце ХIХ в. начала рушиться под напором новых фактов, не укладывающихся в ее рамки. Правда, первый ощутимый удар по физике Ньютона нанесла еще в 60-х годах ХIХ в. теория электромагнитного поля Максвелла – вторая после ньютоновской механики великая физическая теория, дальнейшее развитие которой углубило ее противоречия с классической механикой и привело к революционным изменениям в физике. Поэтому период классической физики в принятой схеме делится на три этапа: от И. Ньютона до Дж. Максвелла (1687 – 1859), от Дж. Максвелла до В. Рентгена (1860 – 1894) и от В. Рентгена до А. Эйнштейна (1895 – 1904). Первый этап проходит под знаком полного господства механики Ньютона, его механическая картина мира совершенствуется и уточняется, физика представляется уже целостной наукой. Второй этап начинается с 25 создания в 1860 - 1865 гг. Дж. Максвеллом общей строгой теории электромагнитных процессов. Используя концепцию поля М. Фарадея, он дал точные пространственно-временные законы электромагнитных явлений в виде системы известных уравнений – уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Теория Максвелла получила дальнейшее развитие в трудах Г. Герца и Х. Лоренца, в результате чего была создана электродинамическая картина мира. Этап с 1895 по 1904 гг. является периодом революционных открытий и изменений в физике, когда последняя переживала процесс своего преобразования, обновления, периодом перехода к новой, современной физике, фундамент которой заложили специальная теория относительности и квантовая теория. Начало ее целесообразно отнести к 1905 г. – году создания А. Эйнштейном специальной теории относительности и превращения идеи кванта М. Планка в теорию квантов света, которые ярко продемонстрировали отход от классических представлений и понятий и положили начало созданию новой физической картины мира – квантово-релятивистской. При этом переход от классической физики к современной характеризовался не только возникновением новых идей, открытием новых неожиданных фактов и явлений, но и преобразованием ее духа в целом, возникновением нового способа физического мышления, глубоким изменением методологических принципов физики 26 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М.: Юрайт, 2007 2. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. М.:ИНФРА-М, 2003 3. Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания: - М. : Дашков и К, 2005. - 692 с. 4. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах: Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. Новосибирск : Сибирское унив. изд-во, 2003. - 407 с. 5. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИДАНА, 2003. - 317 с. 6. Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007 7. Покровский, А.К. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / А.К. Покровский, Л.Б. Миротин; под ред. Л.Б. Миротина. М.: Экзамен, 2005. - 480 с 8. Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - М. : Юнити, 2005. - 287 с. 9. Солопов, Е.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Е.Ф. Солопов. - М. : Владос, 2003. - 232 с. 10.Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. М., 2004 11.Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания : учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - М. : Высш. шк., 2003. - 208 с.