Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

1. Корпускулярная  и континуальная  концепции описания природы.

    В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений  природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет  прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц —  атомов. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состоит из отдельных неделимых частиц — атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны — "атомы" электричества, фотоны — "атомы" света и т. д.

    Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим  философом Левкиппом в V в. до н. э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегреческим философом-материалистом Эпикуром (341—270 до н. э.) и запечатленная в замечательной поэме "О природе вещей" римского поэта и философа Лукреция Кара (I в. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движением, законом Авогадро и др.).

    Многие  ведущие физики и химики даже в  конце XIX в. не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц — молекулы.

    Реальное  существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена (1870—1942) по изучению закономерностей броуновского Движения. В современном представлении молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2, О2, НF, КСI) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.

    Атом  — составная часть молекулы, в  переводе с греческого означает "неделимый". Действительно, вплоть до конца XIX в. неделимость  атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и  начала XX столетий не только подвергли  сомнению неделимость атома, но и  доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной  оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил  заряд электрона, а в 1903 г. предложил  одну из первых моделей атома. 

    Пространство  и время Аристотеля

    Аристотель, выступая против идеи атомистического  строения мира, отбросил вместе с ней  и идею пустого пространства. С  точки зрения Аристотеля, пространство представляет собой совокупность мест занимаемых телами. Иными словами, пространство - это порядок взаимного расположения множества различных тел, а время - порядок сменяющих друг друга явлений и состояний тел, т.е. время связывалось с движением, изменением тел. Дальнейшее развитие вторая концепция получила в трудах Лейбница, Гюйгенса, Дидро и др. 

    Абсолютное  и относительное  пространство Ньютона.

    Ньютон разделяет абсолютное и относительное время, пространство и движение. Абсолютное пространство и время, по Ньютону, существуют независимо от чего-либо, безотносительно от чего-либо: абсолютное время, или длительность, всегда течет равномерно, абсолютное пространство остается всегда однородным и неподвижным. Ни абсолютное время, ни абсолютное пространство не доступны нашим чувствам. Доступны нашим чувствам и измерениям относительное время и относительное пространство, они являются мерой абсолютных.

    Соответственно  разделению времени и пространства на абсолютное и относительное Ньютон и движение делит на абсолютное и относительное. Абсолютное движение – это движение относительно абсолютного пространства и времени (относительно абсолютной системы отсчета); относительное движение – это движение относительно относительного пространства и времени (относительно какой-либо реальной системы отсчета).

    Понятия абсолютного и относительного движения прочно вошли в науку, хотя и несколько  видоизменились со времен Ньютона.

    Абсолютное  и относительное  время Ньютона.

    Сокращённые формулировки определения Ньютоном абсолютного и относительного времени  звучат следующим образом:

    Абсолютное (математическое) время без всякого  отношения к чему-либо внешнему протекает  равномерно. Относительное (обыденное) время есть мера продолжительности, постигаемая чувствами при посредстве какого-либо движения.

    Соотношение между этими двумя понятиями  и необходимость в них ясно видна из следующего пояснения:

    Абсолютное  время различается в астрономии от обыденного солнечного времени уравнением времени. Ибо естественные солнечные  сутки, принимаемые при обыденном  измерении времени за равные, на самом деле между собою неравны. Это неравенство и исправляется астрономами, чтобы при измерениях движений небесных светил применять более правильное время. Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенною точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может.

    Относительное время Ньютона есть время измеряемое, тогда как время абсолютное есть его математическая модель со свойствами, выводимыми из относительного времени  при помощи абстрагирования. Вообще, говоря о времени, пространстве и движении, Ньютон постоянно подчеркивает, что они постигаются нашими чувствами и тем самым являются обыденными (относительными):

    Относительные количества не суть те самые количества, коих имена им обычно придаются, а  суть лишь результаты измерений сказанных  количеств (истинные или ложные), постигаемые  чувствами и принимаемые обычно за сами количества.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Мировой эфир. Опыт  Майкельсона-Морли.

    О́пыт Ма́йкельсона — физический опыт, поставленный Альбертом Майкельсоном на своём интерферометре в 1881 году, с целью измерения зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира. Под эфиром тогда понималась среда, аналогичная объёмнораспределённой материи, в которой распространяется свет подобно звуковым колебаниям. Результат эксперимента был отрицательный — скорость света никак не зависела от скорости движения Земли и от направления измеряемой скорости. Позже, в 1887 году Майкельсон, совместно с Морли, провёл аналогичный, но более точный эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли и показавший тот же результат. В 1958 году в Колумбийском университете (США) был проведён ещё более точный эксперимент с использованием противонаправленных лучей двух мазеров, показавший неизменность частоты от движения Земли с точностью около 10⁻⁹ %. Ещё более точные измерения в 1974 довели чувствительность до 0,025 м/с. Современные варианты эксперимента Майкельсона используют оптические и криогенные микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света, если бы оно составляло несколько единиц на 10⁻¹⁶.

    Опыт  Майкельсона является эмпирической основой принципа инвариантности скорости света, входящего в общую теорию относительности (ОТО) и специальную теорию относительности (СТО). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Принцип относительности  Галилея

Определение принципа относительности, данное Галилеем: «в каюте корабля, движущегося равномерно и без качки, вы не обнаружите ни по одному из окружающих явлений, ни по чему-либо, что станет происходить  с вами самими, движется ли корабль  или стоит неподвижно» в свое время, было революционным, поскольку  противоречило господствующему  учению Птолемея, объяснявшему геоцентризм  тем, что «Земля неподвижна, в противном  случае облака и птицы отставали бы от ее движения». 
С точки зрения эмпирики и наблюдений природы закон инерции и вытекающий из него принцип относительности не вызывают сомнений. Но, если взглянуть шире и обобщить эти явления на причины, механизмы и на конечность скорости взаимодействий, то можно прийти к выводу об их незаконченности, недостаточности и не окончательности. 
Галилей не до конца использовал открытый им принцип относительности. Дело в том, что принцип относительности Галилея позволяет различать абсолютное и относительное движения. Это возможно лишь в рамках определенного взаимодействия в системе состоящей из двух тел. Если в изолированную (квазиизолированную) систему двух тел, взаимодействующих между собою, не вмешиваются посторонние взаимодействия, либо присутствуют взаимодействия, которыми можно пренебречь, то их движения можно считать абсолютными по отношению к центру их тяжести.  
Абсолютными движениями необходимо считать и движения тел в инерционной системе, каковой, например, является Галилеевская каюта корабля, если система отсчета неподвижна с ней. 
Все остальные движения, не попадающие под определение абсолютных, необходимо считать относительными или сложными. 
1. Определение принципа относительности Галилея 
 
Принцип относительности Галилея – это принцип физического равноправия инерциальных систем отсчёта в классической механике, проявляющегося в том, что законы механики во всех таких системах одинаковы.  
Отсюда следует, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-либо инерциальной системе, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Это положение было впервые установлено Г. Галилеем в 1636.  
Одинаковость законов механики для инерциальных систем Галилей иллюстрировал на примере явлений, происходящих под палубой корабля, покоящегося или движущегося равномерно и прямолинейно (относительно Земли, которую можно с достаточной степенью точности считать инерциальной системой отсчёта): «Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно... Бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей»  
Движение материальной точки относительно: её положение, скорость, вид траектории зависят от того, по отношению к какой системе отсчёта (телу отсчёта) это движение рассматривается.  
В то же время законы классической механики, т. е. соотношения, которые связывают величины, описывающие движение материальных точек и взаимодействие между ними, одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.  
Относительность механического движения и одинаковость (безотносительность) законов механики в разных инерциальных системах отсчёта и составляют содержание Галилеева принципа относительности. 
2. Математическое выражение принципа относительности Галилея 
 
Математически принцип относительности Галилея выражает инвариантность (неизменность) уравнений механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) при переходе от одной инерциальной системы к другой — преобразований Галилея. 
Пусть имеются две инерциальные системы отсчёта, одну из которых, S, условимся считать покоящейся; вторая система, S', движется по отношению к S с постоянной скоростью u так, как показано на рисунке. Тогда преобразования Галилея для координат материальной точки в системах S и S' будут иметь вид: 
x' = x - ut, у' = у, z' = z, t' = t (1) 
 
(штрихованные величины относятся к системе S', нештрихованные — к S). Т. о., время в классической механике, как и расстояние между любыми фиксированными точками, считается одинаковым во всех системах отсчёта. 
Из преобразований Галилея можно получить соотношения между скоростями движения точки и её ускорениями в обеих системах: 
v' = v - u, (2) 
a' = a. 
В классической механике движение материальной точки определяется вторым законом Ньютона: 
F = ma, (3) 
 
где m — масса точки, a F — равнодействующая всех приложенных к ней сил. 
При этом силы (и массы) являются в классической механике инвариантами, т. е. величинами, не изменяющимися при переходе от одной системы отсчёта к другой.  
Поэтому при преобразованиях Галилея уравнение (3) не меняется.  
Это и есть математическое выражение Галилеева принципа относительности. 
3. Развития принципа относительности Галилея в науке 
 
Принцип относительности Галилея сыграл большую роль в создании механики как точной науки.  
Физика развивалась, после механики были открыты законы оптики и создана теория электромагнитного поля.  
Был экспериментально открыт факт, что скорость света - самого быстрого движения в нашем мире не зависит от скорости движения источника света.  
Этот факт явно противоречил закону сложения скоростей и принципу относительности Галилея. Более того, принцип относительности Галилея противоречил уравнениям электродинамики и электромагнитного поля.  
Основная трудность, которую надо было преодолеть путем применения принципа относительности к электродинамике, заключалась в том, что надо было согласовать два противоречащих друг другу утверждения:  
1.Согласно классической механике скорость любого тела относительно двух наблюдателей двигающихся относительно друг друга разная.  
2.Скорость света, согласно опыту, не зависит от движения наблюдателя или источника света и является мировой физической постоянной.  
Первое утверждение носило теоретический, концептуальный характер, тогда как второе было основано на опыте.  
Поскольку второе утверждение основано на опыте, то его ценность выше и следует отказаться от первого утверждения и тем самым от тех представлений о пространстве и времени, которые были приняты ранее.  
Одно из представлений от которых мы отказываемся - ньютоновское понятие одновременности.  
Ньютон, постулируя существование абсолютного времени, или абсолютной длительности, писал: «время течет всегда одинаково, безотносительно к чему либо внешнему».  
В 1905 г. А.Эйнштейном был сформулирован принцип специальной относительности, который был справедлив для применения к теории электродинамики и теории электромагнитного поля и заложил новый взгляд на пространство и время.  
Заключение 
 
Итак, первый принцип относительности  был сформулирован еще в эпоху Возрождения Г.Галилеем.  
Он относился к механике и гласил: «Законы механики в системе координат, движущейся равномерно и прямолинейно в пространстве, имеют тот же вид, что и в системе координат, покоящейся в пространстве».  
Из этого постулата можно сделать простой вывод, а именно: существует бесконечно много эквивалентных систем координат, называемых инерциальными и совершающими равномерное и прямолинейное движение или покоящихся друг относительно друга. В этих системах законы механики выполняются в простой классической форме.  
Галилеев принцип относительности справедлив лишь в классической механике, в которой рассматриваются движения со скоростями, много меньшими скорости света.  
При скоростях, близких к скорости света, движение тел подчиняется законам релятивистской механики Эйнштейна, которые инвариантны по отношению к другим преобразованиям координат и времени — Лоренца преобразованиям (при малых скоростях они переходят в преобразования Галилея).

Принцип относительности

    Ключевым  для аксиоматики специальной  теории относительности является принцип относительности, утверждающий равноправие инерциальных систем отсчёта. Это означает, что все физические процессы в инерциальных системах отсчёта описываются одинаковым образом. Совместно с остальными постулатами, перечисленными выше, принципа относительности достаточно, чтобы получить явный вид преобразований координат и времени между ИСО ^{[10] [11] [12]}.

    Для этого необходимо рассмотреть три  инерциальные системы S1, S2 и S3. Пусть скорость системы S2 относительно системы S1 равна v₁, скорость системы S3 относительно S2 равна v₂, а относительно S1, соответственно, v₃. Записывая последовательность преобразований (S2, S1), (S3, S2) и (S3, S1), можно получить следующее равенство ^[10]:

    Доказательство

    Так как относительные скорости систем отсчёта v₁ и v₂ произвольные и независимые величины, то это равенство будет выполняться только в случае, когда отношение σ(v) / v равно некоторой константе α, единой для всех инерциальных систем отсчёта, и, следовательно, .

    Существование обратного преобразования между  ИСО, отличающегося от прямого только заменой знака относительной  скорости, позволяет найти функцию  .

    Доказательство

    Таким образом, с  точностью до произвольной константы  α, получается явный вид преобразований между двумя ИСО. О численном значении константы α и её знаке без обращения к эксперименту ничего сказать нельзя ^[13]. Если α > 0, то удобно ввести обозначение α = 1 / c². Тогда преобразования принимают следующий вид:

    и называются преобразованиями Лоренца. Из дальнейшего анализа станет ясно, что константа имеет смысл максимальной скорости движения любого объекта. Подобный вывод преобразований Лоренца стал известен спустя 5 лет после известной статьи Эйнштейна 1905 года, благодаря работам Игнатовского ^[11] , Франка и Роте ^[8] (см. исторический очерк).