Переход от электро-магнитной теории к специальной теории относительности
Другие рефераты
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 реальной
среде, являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в.
началось становление континуальной, полевой физики. Одновременно с
возникновением волновой теории света формировалась совершенно новая
парадигма физического исследования — полевая концепция в физике. Здесь
особая заслуга принадлежит 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 оставались безразличными. Первым
обратил на них серьезное внимание Дж.К.Максвелл. Он воспринял эти
представления, развил их и построил теорию электромагнитного поля.
Выработанное в оптике понятие «эфир» и сформулированное в теории
электрических и магнитных явлений понятие «электромагнитное поле» сначала
сближаются, 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 электрических и магнитных явлений, и
предсказывать новые явления. Со временем становилось все более очевидным,
что этой абстракции соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие
поля завоевало 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 частных производных. Система взглядов, которая легла в
основу уравнений Максвелла, получила название теории электромагнитного поля
Максвелла.
Хотя эта система уравнений имеет простой вид, но чем больше сам
Максвелл и его последователи работали над ними, тем более глубокий смысл
открывался им. Генрих Герц, который экспериментально получил
электромагнитные излучения, предсказанные теорией Максвелла, говорил о
неисчерпаемости уравнений Максвелла. Герц отмечал: «Нельзя изучать эту
удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто
математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным
разумом, - кажется, 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 математики. Для него исходными были физические идеи
и соображения, которые он облекал самостоятельно в математическую 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 обоснование. [2]
Среди постоянных величии, входящих в уравнение Максвелла, была
константа с. Применив уравнение к конкретному случаю, Максвелл нашел, что
она точно совпадает со скоростью света. Процесс распространения поля будет
продолжаться 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,
распространяется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 300
000 км/с. Из всех этих совпадений видно, что свет имеет электромагнитную
природу, что световой поток - это поток электромагнитных волн. В световых
волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного полей,
а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии
напряжения.
Открытие Максвелла сравнимо по научной значимости с открытием закона
всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению понятия
всеобщего закона тяготения, труды Максвелла - к введению понятия
электромагнитного поля и электромагнитной природы света. Работы Максвелла
привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнитного поля,
которое не совместимо с материальными точками и вещественной массой
классической физики. Поле - это новая фундаментальная физическая
реальность. Поэтому представления о поле должны выступать в качестве
первичных, исходных понятий. Как отмечал А. Эйнштейн, электромагнитное поле
не нуждается даже в эфире, поскольку поле само является фундаментальной
реальностью.
В работах по принципиальным вопросам физики А. Эйнштейн ввел понятие
«программа Максвелла», которую толковал как «полевую программу». Сам
Эйнштейн стоял на позициях 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
дальнодействия она выдвинула и обосновала прямо противоположный принцип
близкодействия, согласно которому силовое действие передается от точки к
точке. Скорость света 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 противоречия и слабые стороны самой классической
физики, то станет понятно, что в конце XIX века стремительно нарастал
кризис механистической научной картины мира.
2. Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна
Теорию Максвелла ряд авторов интерпретируют как новую -
электромагнитную научную картину мира. С этим нельзя согласиться: переход
от одной НКМ к другой может совершиться лишь при условии, если развитие
естествознания приведет к качественно новой трактовке не одного, а целой
группы базисных понятий. Тогда как теория Максвелла в явном виде выдвинула
лишь один новый принцип - принцип близкодействия. В остальном она просто
вышла за рамки МКМ, поскольку 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 продолжением 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, позволивших дать новое
истолкование некоторым базисным понятиям.
Первое и, по-видимому, самое мощное влияние на перестройку НКМ
оказала теория относительности выдающегося физика-теоретика XX столетия
Альберта Эйнштейна (1879-1955).
Поскольку в теории относительности Эйнштейна большую роль играет
принцип относительности движения в формулировке Ньютона, то полезно еще раз
привести ее. Впервые этот принцип ввел Галилей, о чем говорилось выше. С
учетом идей Декарта Ньютон уточнил и расширил формулировку 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 принцип относительности движения.
Принцип относительности движения означает, что во всех инерциальных
системах отсчета механические процессы инвариантны. Иначе говоря, два
наблюдателя в одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что в их
системах физические 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
преобразований 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
времени, включая Эйнштейна, стремились теоретически и логически 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 относительности движения
классической физики, поскольку ее уравнения оказались неинвариантными
относительно преобразований Галилея. Это был существенный изъян, поскольку
вся практика подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая теория не
опровергает его.
2. Полевая картина физической реальности Максвелла оказалась
теоретически неполной и логически противоречивой, так как трактовка
электрического поля и электрически заряженных частиц (носителей поля) не
была увязана концептуально. Эйнштейн отмечал: теория Максвелла хотя и
правильн
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
