Переход от электро-магнитной теории к специальной теории относительности

Содержание

Введение 3

1. Теория электромагнитного поля Максвелла 4

2. Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна 6

3. Специальная теория относительности А.Эйнштейна 11

Заключение 14

Список литературы 15

Введение

Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как реаль¬ной среде, являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось становление континуальной, полевой фи¬зики. Одновременно с возникновением волновой теории света фор¬мировалась совершенно новая парадигма физического исследова¬ния — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадле¬жит великому английскому физику М. Фарадею.

Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он еще при жизни приобрел огромный авторитет и славу. Однако к его теоретическим взглядам современники в лучшем случае остава¬лись безразличными. Первым обратил на них серьезное внимание Дж.К.Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и по¬строил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике по¬нятие «эфир» и сформулированное в теории электрических и магнит¬ных явлений понятие «электромагнитное поле» сначала сближают¬ся, а затем, уже в начале XX в., с созданием специальной теории относительности, полностью отождествляются.

Таким образом, понятие поля оказалось очень полезным. Будучи вначале лишь вспомогательной моделью, это понятие становится в физике XIX в. все более и более конструктивной абстракцией. Она позволяла понять многие факты, уже известные в области электри¬ческих и магнитных явлений, и предсказывать новые явления. Со временем становилось все более очевидным, что этой абстракции соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие поля за¬воевало центральное место в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий.

1. Теория электромагнитного поля Максвелла

Эта теория представлена в сжатой и простой (изящной) форме в виде шести уравнений в част¬ных производных. Система взглядов, которая легла в основу уравнений Максвелла, получила название теории электромагнитного поля Макс¬велла.

Хотя эта система уравнений имеет простой вид, но чем больше сам Максвелл и его последователи работали над ни¬ми, тем более глубокий смысл открывался им. Генрих Герц, который экспериментально получил электромагнитные из¬лучения, предсказанные теорией Максвелла, говорил о неис¬черпаемости уравнений Максвелла. Герц отмечал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по време¬нам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом, - ка¬жется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них было заложено».

Необходимо, однако, отметить, что свои уравнения Максвелл получал иногда вопреки правилам матема¬тики. Для него исходными были физические идеи и со¬ображения, которые он облекал самостоятельно в ма¬тематическую форму. Поэтому для современников его теория выглядела странной и непонятной, и многими учеными воспринималась скептически до тех пор, пока Герц не дал ее всестороннее экспериментальное обос¬нование. [2]

Среди постоянных величии, входящих в уравнение Макс¬велла, была константа с. Применив уравнение к конкретному случаю, Максвелл нашел, что она точно совпадает со ско¬ростью света. Процесс распространения поля будет продол¬жаться бесконечно в виде незатухающей волны, поскольку энергия магнитного поля в пустоте полностью переходит в энергию электромагнитного поля, и наоборот. Причем свет, так же как и электромагнитное поле, распространя¬ется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 300 000 км/с. Из всех этих совпадений видно, что свет име¬ет электромагнитную природу, что световой поток - это по¬ток электромагнитных волн. В световых волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного по¬лей, а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии напряжения.

Открытие Максвелла сравнимо по научной значимо¬сти с открытием закона всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению понятия всеобще¬го закона тяготения, труды Максвелла - к введению понятия электромагнитного поля и электромагнит¬ной природы света. Работы Максвелла привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнит¬ного поля, которое не совместимо с материальными точками и вещественной массой классической физики. Поле - это новая фундаментальная физическая реаль¬ность. Поэтому представления о поле должны высту¬пать в качестве первичных, исходных понятий. Как отме¬чал А. Эйнштейн, электромагнитное поле не нуждается даже в эфире, поскольку поле само является фундамен¬тальной реальностью.

В работах по принципиальным вопросам физики А. Эйн¬штейн ввел понятие «программа Максвелла», которую тол¬ковал как «полевую программу». Сам Эйнштейн стоял на по¬зициях полевой программы и до конца своей жизни стремился построить единую теорию поля, хотя и безуспешно. [2]

В конце XIX века теория Максвелла стала играть ведущую роль в физике, и вместе с тем она вступила в противоречие с МКМ. Вместо принципа дальнодейст¬вия она выдвинула и обосновала прямо противоположный принцип близкодействия, согласно которому сило¬вое действие передается от точки к точке. Скорость све¬та включена в новую теорию, что хотя бы в скрытой форме противоречит бесконечно большим скоростям, допускаемым в классической физике. Наконец, открыт новый тип физической реальности - поле, которое не сводится ни к материальным точкам, ни к веществу, ни к атомам. Если к этому добавить обнажившиеся про¬тиворечия и слабые стороны самой классической фи¬зики, то станет понятно, что в конце XIX века стре¬мительно нарастал кризис механистической научной картины мира.

2. Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна

Теорию Максвелла ряд авторов интерпретируют как но¬вую - электромагнитную научную картину мира. С этим нельзя согласиться: пере¬ход от одной НКМ к другой может совершиться лишь при условии, если развитие естествознания приведет к качест¬венно новой трактовке не одного, а целой группы базисных понятий. Тогда как теория Максвелла в явном виде выдви¬нула лишь один новый принцип - принцип близкодейст¬вия. В остальном она просто вышла за рамки МКМ, посколь¬ку не укладывалась в них, что само по себе не означает новой НКМ. Правда, теория Максвелла первой вышла за рамки МКМ, поэтому дальнейшая ломка МКМ была продолжени¬ем дела, начатого Максвеллом.

С конца XIX - начала XX века ученые приступили к изучению качественно новых объектов в сравнении с классической физикой, и на этой основе был получен целый ряд принципиально новых результатов, позво¬ливших дать новое истолкование некоторым базисным понятиям.

Первое и, по-видимому, самое мощное влияние на перестройку НКМ оказала теория относительности выдающегося физика-теоретика XX столетия Альбер¬та Эйнштейна (1879-1955).

Поскольку в теории относительности Эйнштейна большую роль играет принцип относительности движения в формули¬ровке Ньютона, то полезно еще раз привести ее. Впервые этот принцип ввел Галилей, о чем говорилось выше. С уче¬том идей Декарта Ньютон уточнил и расширил формулиров¬ку Галилея. В частности, в качестве систем отсчета он брал не тела, а декартову систему координат. [2]

Среди систем отсчета выделяют инерциальные, особенность которых состоит в том, что для них выполняется прин¬цип относительности движения.

Принцип относительности движения означает, что во всех инерциальных системах отсчета механические процессы ин¬вариантны. Иначе говоря, два наблюдателя в одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что в их системах фи¬зические процессы протекают одинаково. Это означает также, что переход от одной инерциальной системы отсчета к другой осуществляется по правилам галилеевых преобразований, рассмотренных выше. И наоборот, если при переходе от одной системы отсчета к другой правила галилеевых пре¬образований не выполняются, то и принцип относительности движения не выполняется, поэтому такие системы отсчета не будут инерциальными. Таким смыслом наполнен принцип относительности движения в классической механике.

Эйнштейн был тонким мыслителем, он всегда стремился максимально упорядочить логическую структуру физических теорий. Физики-теоретики того вре¬мени, включая Эйнштейна, стремились теоретически и ло¬гически упорядочить электродинамику Максвелла. В итоге таких усилий возникли новые теории специальная и общая теория относительности Эйнштейна.

Теории электромагнитного поля Максвелла были присущи два недостатка:

1. Она не совмещалась с принципом относительно¬сти движения классической физики, поскольку ее урав¬нения оказались неинвариантными относительно пре¬образований Галилея. Это был существенный изъян, поскольку вся практика подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая теория не опровергает его.

2. Полевая картина физической реальности Макс¬велла оказалась теоретически неполной и логически противоречивой, так как трактовка электрического по¬ля и электрически заряженных частиц (носителей поля) не была увязана концептуально. Эйнштейн отмечал: тео¬рия Максвелла хотя и правильно описывает поведение электрически заряженных частиц, но не дает теории этих частиц. Следовательно, они должны рассматриваться на основе классической механики как материальные точ¬ки, расположенные в пространстве дискретно, что про¬тиворечит понятию поля. Последовательная полевая теория