Казалось бы, что Максвелл мог бы обойтись без эфира, но и он считал, что электромагнитные волны распространяются именно в эфире. По разным причинам физики видели пространство чем-то заполненным, пустое «чистое пространство», пространство без материи непредставимо. Эфир для физиков XIX в. - абсолютно неподвижная среда.

Опыты Майкельсона и их значение

Суть их в следующем. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек. Луч света, пущенный с Земли по ходу её движения, должен двигаться на 30 км/ч быстрее, чем пущенный перпендикулярно орбитальной скорости, а свет, пущенный «назад» - на 30 км/час медленнее. Прибор, построенный Майкельсоном, был достаточно чувствительным, чтобы уловить разницу в скоростях света такого порядка, однако он не зарегистрировал её. Другие физики, заинтригованные парадоксальным результатом Майкельсона, тоже не могли её зафиксировать. В 1904 г. Х. Лоренц, знаменитый специалист в области теории электричества, нобелевский лауреат 1902 г. по физике, опираясь на гипотезу Фицджеральда, предположил, что тела, движущиеся через эфир, сокращаются в длине и время их движения сокращается. В конце концов, что такое скорость? Путь, деленный на время. Если мы немного поманипулируем с путём и временем, то получим подгонку результатов опытов Майкельсона-Морли под нечто объяснимое: где x' - длина тела, движущегося со скоростью v, x - длина этого тела в покое, t' - время для тела, движущегося со

скоростью v, t - время процессов в покое, с - скорость света.Очевидно, что перед нами допущения ad hoc.

Физические и философские основы специальной теории относительности

Теории относительности в основе своей очень проста, потому что базируется всего на двух допущениях.Допущения:1. Все инерциальные системы отсчёта равны между собой. Инерциальные системы отсчёта - это тела, движущиеся с постоянной скоростью. Всю выделенную фразу следует понимать так: для всех физических тел, движущихся с постоянной скоростью, физические законы одинаковы.2. Скорость света постоянна, не зависит от скорости источника и приёмника света. Никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Собственно говоря, все физические законы будут одинаковы для инерциальных объектов, только если мы примем допущение о равенстве скорости света для всех.Следствия: Теперь пропустим оба допущения через математическую мясорубку и получим в результате преобразования Лоренца. Поверим, что математики всё сделали правильно, и они доказали не только справедливость, но и единственность полученных решений. Тогда получается, что уравнения Лоренца не есть допущения ad hoc, но следствие из очень широких обобщений. В этом случае при малых, земных скоростях v сокращение длин и времени будет так мало, что точность измерительных приборов не позволит его обнаружить. Сработает принцип соответствия: в механике Ньютона ничего менять не надо, это частный случай механики Эйнштейна - механика для малых скоростей.

Для случаев больших скоростей возникает вопрос: как быть с кинетической энергией тела, Е = ? mv2, точнее, Е = ?m(v1 -v2)2 ? Поскольку пространство и время при увеличении скорости сокращаются, работа со скоростями, очевидно, требует больших ухищрений, чем в механике Ньютона. Из согласования этих вопросов с допущениями о равенстве физических законов на телах, движущихся с разными скоростями, получаем где m' - масса тела, движущегося со скоростью v, m - его масса в покое. Причём для расчёта кинетической энергии получаем, что энергия тела, находящегося в покое - E ? mc2. Относительно чего движется тело со скоростью v? - относительно наблюдателя. Здесь главное - почувствовать симметричность преобразований Лоренца. Допустим, некоторый наблюдатель движется относительно Вас с большой скоростью и для него пара, на которой Вы сидите, кажется тянущейся целый год. Но пара, на которой сидит он, тоже будет тянуться для Вас целый год. Допустим, Вы послали лектора (ногами назад) со скоростью, близкой к скорости света, и для Вас он укоротился до 1 метра. Но и Вы окажетесь в его системе координат укоротившимися тем же образом.То есть, одно и то же тело для разных наблюдателей будет иметь разные размеры и участвовать в процессах разной продолжительности. Но если всех этих наблюдателей свести за одним столом, то их линейки и их часы покажут одинаковые значения.Парадоксальные на первый взгляд следствия из теории относительности не являются парадоксами в истинном смысле этого слова, то есть не находятся в противоречии с логикой. Одним из следствий теории относительности является неодновременность событий, оцененных в разных системах отсчёта. Но эта неодновременность не является нарушением причинных связей.

Последовательность событий в любой системе отсчёта остаётся одной и той же.Комментарий.Теория, основы которой заложены Эйнштейном в 1905 г., получила название частной или специальной теории относительности, поскольку рассматривала физику тел, движущихся только с постоянной скоростью. Эта удивительная теория, так же как и последовавшая за ней общая теория относительности на первый взгляд действительно кажется целиком выведенной «из головы». Она могла появиться и без опытов Майкельсона-Морли. Эта теория является чисто редукционной, так же как и гелиоцентрическая теория Коперника, возникает как следствие снятия логических противоречий старой теории путём удаления из неё ненаблюдаемых сущностей - абсолютного пространства и времени, связанных с эфиром, как более ёмкая переупаковка уже накопленных физикой данных.

Но при всех логических достоинствах частная теория относительности нуждалась в экспериментальной проверке. Пока она не технически не осуществима на макрообъектах, но элементарные частицы могут быть разогнаны на ускорителях до скоростей свыше 0,9999 от скорости света. Эти эксперименты показывают полное согласие теории с практикой - здесь наблюдается замедление времени, сокращение размеров и увеличение массы частиц согласно преобразованиям Лоренца. 

Общая теория относительности и её экспериментальные доказательства

Общая теория относительности раскрывает природу закона всемирного тяготения. Допущение:Основное допущение ОТО очень простое и называется принципом эквивалентности. На кухонном языке оно звучит приблизительно так: если мы не можем отличить силу, возникающую в результате ускорения (например, центробежного) от силы, порождённой гравитационным полем - то это одно и то же. В более формализованном виде принцип эквивалентности выглядит так: гравитационная масса эквивалентна инерционной массе. Что известно о массе? Это понятие входит в два уравнения Ньютона: F = am и F = G·m1m2/r2, - второй закон механики и закон всемирного тяготения. Однако почему мы решили, что масса, входящая в первое уравнение и масса, входящая во второе - это одно и то же? Ведь они ничем не связаны между собой. Будем называть массу первого уравнения инерционной (mi), а из второго - гравитационной (mg). Давайте считать, что это одно и то же и посмотрим, что получится. Пропустив математические выкладки получим следующее.

Следствие: Наша Вселенная четырёхмерна («четырёхмерный пространственно-временной континуум»). Любая масса искривляет пространство-время, и наоборот, степень искривления пространства-времени материальным объектом определяет его массу. Трёхмерное тело, движущееся в искривленном четырёхмерном пространстве, испытывает угловое ускорение, которое наблюдатель воспринимает как тяготение. В любой популярной книжке по ОТО приводится одна и та же аналогия. Представим себе двумерного человечка, живущего на бесконечно тонкой плёнке. Он во всём не хуже нас, трёхмерных и у них на плёнке все такие. Представим, что этот человечек спешит из точки А в точку В. А теперь продавим эту плёнку пальцем. Человечек в недоумении: он много раз ходил этим маршрутом и проходил его за время, значительно более короткое, чем сейчас. Об удлинении маршрута он не подозревает: добавочная длина возникает в третьем измерении, опытных знаний о котором он не имеет. Он видит, что изменилась скорость его движения, а там, где есть изменение скорости, там есть ускорение, а там, где ускорение - сила. Эту силу, тормозящую его движение к точке В, он воспринимает как тяготение. Также и мы, трёхмерные, движемся по поверхности огромного четырёхмерного пузыря, испещрённого многочисленными выбоинами и колдобинами - посторонними массами. Это довольно грубая аналогия, но, по крайней мере, она наглядна. Мы и дальше ей будем пользоваться, но добавим физичности.

Во-первых, никакого дополнительного скрытого пространства нет. Физическое тело, перемещаясь в пространстве, перемещается также и во времени, в трёх пространственных измерениях плюс одном временном. Мирный обыватель очень чётко понимает различия между пространством и временем. Однако с появлением теории относительности физик-теоретик получает волшебную палочку - фундаментальную постоянную с, скорость света. Теперь, с помощью этой мировой постоянной можно время выразить через пространственные единицы, например, секунду можно задать как 300 000 км, делённые на с - скорость света, или, сходным образом, пространство через время. Наш пространственно-временной континуум - это три симметричные, сходные, различаемые только по произволу наблюдателя пространственные координаты плюс одна, (временная) особенная. Но если каждую из четырёх переменных на что-то умножить и одинаково преобразовать, то можно получить четыре совершенно неразличимые оси, каждая из которых будет в равной степени и временной и пространственной. Этот фокус называется преобразованиями Минковского. Итак, с помощью математических преобразований и палочки-выручалочки с в теоретической физике можно перейти от несимметричных привычных нам пространственно-временных координат к симметричным координатам Минковского и обратно. Нового, добавочного четвёртого измерения нет, есть новая форма представления известных уже понятий. Правда, время отличается от пространства ещё одним качеством: во времени стоять нельзя. В новых пространственно-временных координатах неподвижных объектов нет. Но если четырёхмерное пространство-время - это то, в чём мы существуем, и ничего нового, скрытого, добавочного нет, почему мы не видим его искривления массой? Потому, что оно исключительно мало. Допустим, с обрыва падает камень. За секунду он пролетит 4,9 м. Если мы выразим секунду в единицах длины (зачем - для того, чтобы отразить путь и время в некотором едином масштабе), то это составит 300 000 км пути света, т.е. при движении по одной оси на 300 000 км смещение по другой составит 4.9 м. При преобразовании координат в пространстве Минковского различия не сгладятся. И в этом пространстве-времени приходится всегда двигаться, а поскольку оно более или менее искривлено - чувствовать перегрузки на виражах. Трёхмерное геометрическое пространство, в котором, по обычному представлению мы существуем, описывается геометрией Эвклида. Эвклидова геометрия - частный случай геометрии Римана. Есть другие геометрии и у физиков возникает вопрос - какова истинная геометрия нашего мира? Так же как при обычных, привычных для нашего восприятия скоростях сокращения длин и времени неуловимо малы и неотличимы от постоянных величин механики Ньютона, так же для малых масс отличия геометрии нашего обывательского мира от прямолинейной геометрии Эвклида исчезающее малы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14