Электромагнитная картина мира

Законы Ома, Джоуля-Ленца: важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Г. Омом (1826) закон I=U/R и для замкнутой цепи I= ЭДС/(R+r), а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT.

Работы М.Фарадея. Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. (Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДСi = k×DФm/Dt, где DФm/Dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур). С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над исследованием  электромагнитной индукции, Фарадей  приходит к выводу о существовании  электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

2. Теория электромагнитного  поля Д. Максвелла

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).

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 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 взаимодействия.

Мир стал представляться электродинамической  системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих  посредством электромагнитного  поля. (Действительно, вспомним, что  в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)

Система уравнений для  электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит  из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.

Уравнение	Уравнение
div E ~ q	Электрическое поле, соответствующее  какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона
div H = 0	Магнитные заряды не существуют
	Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток
	Магнитное поле возбуждается токами и  переменными электрическими полями

 

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.» 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.

Разработав ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.

Специальная теория относительности

Материал из свободной  русской энциклопедии «Традиция»

Специальная теория относительности (СТО) (англ. special theory of relativity; частная теория относительности; релятивистская механика) — теория, описывающая преобразование законов движения, законов механики, электродинамики и лоренц-инвариантной теории гравитации на основе пространственно-временных отношений в инерциальных системах отсчёта, при скоростях движения, которые могут достигать скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО с учётом влияния электромагнитных и гравитационных полей на наблюдаемые и измеряемые пространственно-временные отношения делается в общей теории относительности (ОТО), а также в метрической теории относительности (МТО). Известна также версия СТО – расширенная специальная теория относительности (РСТО), выведенная в другой аксиоматике и ограничивающая абсолютизацию относительности инерциальных систем отсчёта, присущую СТО.

Отклонения в протекании физических процессов, описываемые  теорией относительности, от эффектов, предсказываемых классической механикой, называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными — релятивистскими скоростями.  Содержание

1 Создание СТО 

1.1 Опыт Майкельсона 

2 Постулаты Эйнштейна 

3 Постулаты расширенной СТО

4 Сущность СТО 

4.1 Четырёхмерный континуум  — пространство-время 

5 Отношения специальной  теории относительности с другими  физическими понятиями 

5.1 Гравитация 

5.2 Классическая механика 

5.3 Квантовая механика 

6 Эффекты СТО 

6.1 Замедление времени 

6.2 Сокращение линейных  размеров 

6.3 «Утяжеление» при движении 

7 Комментарии 

8 Литература 

8.1 Работы основоположников 

8.2 Разное 

9 Ссылки 

Создание СТО

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось  развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие все проявления электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

Другим следствием развития электродинамики стал переход от ньютоновской концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействующие на расстоянии тела воздействуют друг на друга через разделяющую их пустоту, причём взаимодействие осуществляется с бесконечной скоростью, т.е. «мгновенно», к концепции близкодействия, предложенной Майклом Фарадеем, в которой взаимодействие передаётся с помощью промежуточных агентов – полей, заполняющих пространство – и при этом встал вопрос о скоростях распространения как взаимодействий, переносимых полями, так и самих полей. Скорость распространения электромагнитного поля в пустоте вытекала из уравнений Максвелла и оказалась постоянной и равной скорости света.

В связи с этим появляется новый вопрос - относительно чего постоянна  скорость света? В максвелловой электродинамике скорость распространения электромагнитных волн (при условии измерения этой скорости с помощью электромагнитных часов и положения часов с помощью света) оказалась не зависящей от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя. Аналогичной оказалась и ситуация с магнитостатическими решениями, вытекающими из уравнений Максвелла: статические магнитные поля и силы Лоренца, действующие на движущиеся в магнитных полях заряды, зависят от скоростей зарядов по отношению к наблюдателю, т.е. уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно принципа относительности и преобразований Галилея – что противоречило ньютоновской концепции абсолютного пространства классической механики.

Специальная теория относительности  была разработана в конце XIX –  начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, Д. Лармора и А. Эйнштейна, и затем представлена Г. Минковским в четырёхмерном формализме, объединяющем пространство и время. Вопрос приоритета в создании СТО имеет дискуссионный характер: основные положения и полный математический аппарат теории, включая групповые свойства преобразований Лоренца, в абстрактной форме были впервые сформулированы А. Пуанкаре в работе 1905 г. «О динамике электрона» на основе предшествующих результатов Г. А. Лоренца, а явный абстрактный вывод базиса теории — преобразований Лоренца, из минимума исходных постулатов был дан А. Эйнштейном в практически одновременной работе 1905 г. «К электродинамике движущихся сред». Однако Лармор ещё в 1897 г., до работы Лоренца 1899 г., приходит к преобразованиям Лоренца. Он также даёт релятивистскую формулу сложения скоростей (смотри Larmor J.J., 1900).

Опыт Майкельсона

Основная статья: Опыт Майкельсона

Основой для создания СТО  и предшествующих теорий послужил опыт Майкельсона, который дал результат  измерения, неожиданный для классической физики своего времени. Попытка проинтерпретировать  этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений механики, и создание Лоренцом, Пуанкаре и Эйнштейном релятивистских физических теорий.

 Постулаты СТО

СТО полностью выводится  на физическом уровне строгости из пяти постулатов (предположений):

Справедлив принцип относительности  Пуанкаре-Эйнштейна, являющийся расширением  принципа относительности Галилея на все явления.

Скорость света не зависит  от скорости движения как источников, так и приёмников во всех инерциальных системах отсчёта. Это позволяет дистанционно произвести однозначную первоначальную синхронизацию всех имеющихся часов как в неподвижной, так и в движущейся системе отсчёта.

Справедливость симметрий  относительно поворотов в пространстве-времени  Евклида.

Справедливость симметрий  относительно сдвигов в пространстве-времени  Евклида.

Пространственно-временные  измерения осуществляются с помощью  электромагнитных волн.

Формулировка второго  постулата может быть шире: «Скорость  света постоянна во всех инерциальных системах отсчёта», но для вывода СТО достаточно его формулировки, записанной выше. Некоторые постулаты сформулированы явно, а другие предполагаются неявным образом как в работах Эйнштейна, так и Пуанкаре, хотя и в разной степени.

Иногда пятый постулат СТО записывают как синхронизацию  часов по А. Эйнштейну, но принципиального  значения это не имеет: при различных условиях синхронизации изменяется математическое описание экспериментальной ситуации без изменения предсказываемых и измеряемых эффектов. Пятый постулат СТО является ключевым, так как без него скорость света не смогла бы появиться в преобразованиях Лоренца для координат и времени и в других формулах.

Раньше можно было встретить  утверждение о том, что СТО  обосновывает существование скорости света как предельной скорости распространения  сигналов. Естественно, что это не может быть доказано в рамках СТО, которая не является теорией о распространении сигналов, а лишь использует свет в процессе измерений.

Постулаты расширенной СТО

Анализ постулатов и результатов  СТО показывает следующее. Все инерциальные системы отсчёта в СТО являются полностью эквивалентными. Все эффекты СТО в конечном итоге являются следствием того, что скорость света ограничена. Преобразования Лоренца могут быть выведены разными способами, в разной аксиоматике, в том числе путём использования представлений о математических группах.

Однако стандартная аксиоматика  СТО является слишком жёсткой. Она  крайне релятивистична, доводя принцип относительности инерциальных систем отсчёта до абсолюта. Из её постулатов нельзя представить себе существование хотя бы одной каким-то образом выделенной инерциальной системы. Принцип независимости скорости света парадоксален и потому с трудом играет роль исходной аксиомы СТО. Действительно, аксиомой, по определению, считается утверждение, не требующее доказательства ввиду своей очевидности. Но с самого начала принцип независимости скорости света от скорости наблюдателя был малопонятен и плохо сочетался с принципом относительности (следует отдать здесь должное гениальным первооткрывателям СТО).

В то же время, до сих пор  остаётся неизвестной истинная причина  постоянства скорости света в  вакууме. Также не определена структура физического вакуума, в котором распространяются электромагнитные волны. Являются ли кванты света самостоятельными автономными объектами, движущимися по инерции в пустом пространстве, или они всё-таки переносят свою энергию и импульс через колебания среды вакуума посредством волнового взаимодействия? Как бы то ни было, теория должна иметь возможность учесть любые эффекты взаимодействия вакуума как некоторой среды с электромагнитным полем и с веществом. Не исключены также и перекрёстные эффекты при движении тел в вакууме, когда внутри этих тел распространяется электромагнитная волна, а вещество тел взаимодействует с вакуумом. Однако стандартная аксиоматика СТО не позволяет учесть подобные эффекты – эфира в СТО, как известно, нет из-за крайней релятивистичности теории. Поэтому в СТО нельзя и говорить о сущностном влиянии вакуума на распространение электромагнитных волн.

В аксиоматике расширенной  СТО находятся внутренне непротиворечивые, логически понятные аксиомы теории, преодолевается абсолютизация релятивизма, расширяются возможности теории в описании действительности, с сохранением всех ранее достигнутых в СТО результатов, многократно проверенных на практике. [1]