Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

   Принцип инвариантности скорости света следует из принципа относительности, утверждающим что все физические законы инвариантны относительно выбора инерциальной системы отсчёта. Так, максимальная скорость распространения взаимодействия (сигнала), называемая скоростью света, должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчёта.

   Данное  утверждение находится в глубоком противоречии с повседневным опытом. Мы понимаем что скорости (и расстояния) меняются при переходе от покоящейся системы к движущейся, при этом интуитивно полагая что время абсолютно. Из инвариантности же скорости распространения сигнала следует что время прошедшее между двумя событиями может меняться при переходе к другой системы отсчёта, так же как может меняться расстояние. Поэтому долгое время считалось что и скорость света относительна и зависит от скорости движения наблюдателя относительно мирового эфира. Это положение было подвергнуто сомнению результатами опытов Майкельсона-Морли 1887г (хотя первые результаты не согласующиеся с теорией эфира были получены Майкельсоном ещё в 1881г), убедительно показавшим независимость скорости света. Результат совершенно не укладывался в существующую картину мира. Для его объяснения было предложено множество модификаций теории эфира.

   Со  временем стало ясно что необходимо изменить само представление о пространстве и времени, что классические преобразования Галилея являются приближёнными, справедливые для малых (по сравнению со скоростью света) скоростей. В общем же случае необходимо применять релятивистские преобразования Лоренца, которые легли в основу специальной теории относительности Эйнштейна.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   4. Следствия СТО:

     
Если два разнесённых в пространстве события (например, вспышки света) происходят одновременно в движущейся системе  отсчёта  , то они будут неодновременны относительно «неподвижной» системы . При Δt' = 0 из преобразований Лоренца следует

    Если  Δx = x₂ − x₁ > 0, то и Δt = t₂ − t₁ > 0. Это означает, что, с точки зрения неподвижного наблюдателя, левое событие происходит раньше правого (t₂ > t₁). Относительность одновременности приводит к невозможности синхронизации часов в различных инерциальных системах отсчёта во всём пространстве.

    С точки зрения системы S

    С точки зрения системы S'

    Пусть в двух системах отсчёта, вдоль оси  x расположены синхронизированные в каждой системе часы, и в момент совпадения «центральных» часов (на рисунке ниже) они показывают одинаковое время.

    Левый рисунок показывает, как эта ситуация выглядит с точки зрения наблюдателя  в системе S. Часы в движущейся системе  отсчёта показывают различное время. Находящиеся по ходу движения часы отстают, а находящиеся против хода движения опережают «центральные» часы. Аналогична ситуация для наблюдателей в S' (правый рисунок).

Релятивистское сокращение длин и промежутков времени

    Если  длину (форму) движущегося объекта  определять при помощи одновременной  фиксации координат его поверхности, то из преобразований Лоренца следует, что линейные размеры такого тела относительно «неподвижной» системы  отсчёта сокращаются:

     ,

    где  — длина вдоль направления движения относительно неподвижной системы отсчёта, а  — длина в движущейся системе отсчёта, связанной с телом (т. н. собственная длина тела). При этом сокращаются продольные размеры тела (то есть измеряемые вдоль направления движения). Поперечные размеры не изменяются.

    Такое сокращение размеров ещё называют лоренцевым сокращением. При визуальном наблюдении движущихся тел, дополнительно к лоренцевому сокращению необходимо учитывать время распространения светового сигнала от поверхности тела. В результате быстро движущееся тело выглядит повёрнутым, но не сжатым в направлении движения.

    Эквивалентность массы и энергии — физическая концепция, согласно которой масса тела является мерой энергии, заключённой в нём. Масса тела равна энергии тела, делённой на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме:

    где E — энергия тела, m — его масса, c — скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м/с.

    Данная  концепция может использоваться двояко:

• c одной стороны можно сказать, что имеющаяся у покоящегося тела масса (так называемая масса покоя) является мерой запасённой внутренней энергии^[1]
• c другой стороны, можно утверждать, что любому виду энергии соответствует некая масса. Например, было введено понятие релятивистской массы как характеристики кинетической энергии движущегося тела^[2].

    В современной физике концепцию эквивалентности  массы и энергии обычно используют в первом смысле^[3]. Главной причиной, почему приписывание массы любому виду энергии считается неудачным, является следующая из этого полная синонимичность понятий массы и энергии. Кроме того, неаккуратное использование такого принципа может запутывать и в конечном итоге не является оправданным. Таким образом, в настоящее время термин «релятивистская масса» практически не используется, а когда говорят о массе, имеют ввиду массу покоя. Несмотря на это, иногда в качественных рассуждениях термином «релятивистская масса» всё-таки пользуются, понимая под этим увеличение инертных свойств движущегося тела. 

5. Общая теория относительности  (ОТО): распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета.

    О́бщая тео́рия  относи́тельности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

    ОТО в настоящее  время — самая успешная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

    Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать  как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют. 

    Принцип эквивалентности  сил гравитации и  инерции — эвристический принцип, использованный Альбертом Эйнштейном при выводе общей теории относительности. Один из вариантов его изложения: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное тело — гравитационная или сила инерции.» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    6. Развитие квантовой механики и квантовой электродинамики

    Неопределенность между координатой и импульсом

    Пусть — среднеквадратическое отклонение координаты частицы , движущейся вдоль оси , и — среднеквадратическое отклонение ее импульса. Величины и связаны следующим неравенством:

    где h - постоянная Планка, а  
Согласно соотношению неопределённостей, невозможно абсолютно точно определить одновременно координаты и скорость частицы. Например, чем больше точность определения координаты частицы, тем меньше точность определения ее скорости.

    Неопределенность между энергией и временем

    Пусть ΔЕ — среднеквадратическое отклонение энергии частицы, и Δt — время, требуемое для обнаружения частицы. 
Время Δt для обнаружения частицы с энергией E±ΔЕ определяется следующим неравенством:

    Принцип дополнительности — один из важнейших принципов квантовой механики, сформулированный в 1927 году Нильсом Бором. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины.

    Этот  принцип получил широкое распространение. Его пытаются применять в психологии, биологии, этнографии, лингвистике  и даже в литературе.

    Корпускулярно-волновой дуализм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций.

    В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.^[1]. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).