Rezumat pe tema Conceptului de istorie naturală modernă
Dezvoltarea electrodinamicii a condus la o revizuire a conceptelor de spațiu și timp. Conform noțiunilor clasice de spațiu și timp, este considerat a fi imuabile de secole, mișcarea nu are nici un efect asupra cursului timpului (timpul este absolut), iar dimensiunile liniare ale unui organism nu depinde de faptul dacă corpul este în repaus sau se mișcă (lungimea absolută).
Teoria specială a relativității lui Einstein este o nouă doctrină a spațiului și a timpului, înlocuind noțiunile vechi (clasice).
Legile electrodinamicii și principiul relativității
După crearea electrodinamicii, există îndoieli cu privire la valabilitatea principiului relativității lui Galileo în ceea ce privește fenomenele electromagnetice.
Principiul relativității în mecanică și electrodinamică. După ce în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, Maxwell a formulat legile fundamentale ale electrodinamicii, a apărut întrebarea dacă principiul relativității se extinde la fenomenele electromagnetice. Cu alte cuvinte, procesele electromagnetice (interacțiunea încărcărilor și a curenților, propagarea undelor electromagnetice etc.) sunt aceleași în toate formele de referință inerțiale? Sau, poate, o mișcare uniformă rectilinie, fără a afecta fenomenele mecanice, are un efect asupra proceselor electromagnetice?
Pentru a răspunde la această întrebare, a fost necesar să aflăm dacă legile de bază ale electrodinamicii se schimbă în timpul tranziției de la un sistem inerțial la altul sau, asemenea legilor lui Newton, rămân neschimbate. Doar în ultimul caz se poate pune la îndoială validitatea principiului relativității în raport cu procesele electromagnetice și tratarea acestui principiu ca o lege generală a naturii.
Legile electrodinamicii sunt complexe, iar o soluție riguroasă la această problemă nu este o sarcină ușoară. Cu toate acestea, chiar și considerațiile simple par să permită găsirea unui răspuns corect. Conform legilor electrodinamicii, viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este aceeași în toate direcțiile și este egală cu: c = 3 × 10 8 m / s. Dar, pe de altă parte, în conformitate cu legea de adunare a vitezelor mecanicii newtoniene, viteza poate fi doar într-un cadru de referință ales. În orice alt cadru de referință se deplasează în raport cu acest sistem selectat cu o viteză v. viteza luminii trebuie să fie deja c # 9472; v. Aceasta înseamnă că, dacă legea obișnuită de adăugare a vitezelor este valabilă, atunci când trece de la un sistem inerțial la altul, legile electrodinamicii trebuie să se schimbe astfel încât în acest nou cadru de referință viteza luminii să nu fie egală cu c. și c # 9472; v.
Astfel, au apărut anumite contradicții între electrodinamica și mecanica lui Newton, legile cărora sunt în concordanță cu principiul relativității. Dificultățile întâmpinate au fost depășite în trei moduri diferite.
Prima posibilitate a fost declararea nevalidă a principiului relativității în aplicarea fenomenelor electromagnetice. Această poziție a fost apărată de marele fizician olandez, fondatorul teoriei electronice, H. Lorentz. Fenomenele electromagnetice de la vremea lui Faraday au fost considerate ca procese într-un mediu special, atotcuprinzător, care a umplut întregul spațiu, # 9472; "Eterul mondial". Un cadru de referință inerțial, în repaus față de eter, # 9472; acest lucru conform Lorentz este un sistem special avantajos. În ea legile electrodynamicii lui Maxwell sunt valabile și au forma cea mai simplă. Numai în acest cadru de referință viteza luminii în vid este aceeași în toate direcțiile.
A doua posibilitate este de a-și asuma ecuații Maxwell incorecte și să încerce să le schimbe, astfel încât acestea sunt în tranziția de la un sistem inerțial la altul (în conformitate cu conceptele convenționale, clasice de spațiu și timp) nu este schimbat. O astfel de încercare, în special, a fost întreprinsă de H. Hertz. Hertz, eterul complet antrenat corpurilor în mișcare, și, prin urmare, fenomenele electromagnetice apar în mod egal, indiferent dacă corpul este în repaus sau în mișcare. Principiul relativității este corect.
În sfârșit, a treia posibilitate de a rezolva aceste dificultăți constă în abandonarea noțiunilor clasice de spațiu și timp pentru a păstra atât principiul relativității, cât și legile lui Maxwell. Aceasta este calea cea mai revoluționară, pentru că înseamnă o revizuire în fizică a celor mai profunde și mai fundamentale concepte. Din acest punct de vedere, ecuațiile câmpului electromagnetic nu sunt inexacte, ci legile mecanicii newtoniene, în conformitate cu noțiunile vechi de spațiu și timp. Este necesar să se schimbe legile mecanicii, și nu legile electrodynamicii lui Maxwell.
Singurul drept a fost a treia opțiune. În continuă dezvoltare, A. Einstein a venit la noi idei despre spațiu și timp. Primele două căi, așa cum sa dovedit, sunt respinse prin experiment.
Când Hertz a încercat să schimbe legile electrodinamicii lui Maxwell, a devenit clar că noile ecuații nu puteau explica o serie de fapte observate. Astfel, conform teoriei lui Hertz, apa în mișcare trebuie să antreneze complet lumina care se propagă în ea, pentru că ea îndepărtează eterul, în care se răspândește lumina. Experiența a arătat că, în realitate, nu este așa.
Punctul de vedere al lui Lorentz, potrivit căruia ar trebui să existe un cadru de referință selectat, asociat eterului mondial, care să rămână în odihnă absolută, a fost, de asemenea, respins prin experimente directe.
Astfel, ideea existenței unui cadru de referință preferențial nu putea rezista unui test experimental. La rândul său, aceasta însemna că nu există un mediu special - un "eter luminifer" - cu care ar putea fi conectat un astfel de sistem de referință preferențial.
A fost posibilă reconcilierea principiului relativității cu electrodinamica lui Maxwell, numai prin abandonarea noțiunilor clasice de spațiu și timp, conform cărora distanțele și cursul timpului nu depind de cadrul de referință.
Postulate ale teoriei relativității
Bazele teoriei relativității sunt două postulate.
Einstein a abordat problema într-un mod complet diferit: nu trebuie inventat diverse ipoteze pentru a explica rezultatele negative ale tuturor încercărilor de a descoperi diferența dintre sistemele inerțiale. Legea naturii este egalitatea deplină a tuturor cadrelor inerțiale de referință în ceea ce privește nu numai procesele mecanice, ci și cele electromagnetice. Nu există nici o diferență între starea de odihnă și mișcarea uniformă rectilinie.
Principiul relativității este principiul postulat al teoriei lui Einstein. Aceasta poate fi formulată după cum urmează: toate procesele naturii se desfășoară în același mod în toate formele de referință inerțiale.
Aceasta înseamnă că în toate sistemele inerțiale legile fizice au aceeași formă. Astfel, principiul relativității mecanicii clasice este generalizat la toate procesele din natură, inclusiv cele electromagnetice. Dar teoria relativității se bazează nu numai pe principiul relativității. Există un al doilea postulat: viteza luminii în vid este aceeași pentru toate cadrele de referință inerțiale. Nu depinde nici de viteza sursei, nici de viteza receptorului semnalului luminos.
Viteza luminii ocupă astfel o poziție specială. Mai mult, după cum rezultă din postulațiile teoriei relativității, viteza luminii într-un vid este rata maximă posibilă de transmitere a interacțiunii în natură.
Pentru a decide să formuleze postulate ale teoriei relativității, de atunci a fost nevoie de un mare gând științific ele au contrazis conceptele clasice de spațiu și timp.
De fapt, presupuneți că la momentul originii coordonatelor cadrelor de referință inerțiale K și K1. se deplasează reciproc cu viteza v. coincide, apare o lumină scurtă de lumină la originea coordonatelor. În timpul timpului t, sistemele se vor schimba unul față de celălalt cu o distanță vt. iar suprafața undelor sferice va avea o rază ct:
Sistemele K și K1 sunt egale, iar viteza luminii este aceeași în ambele sisteme. În consecință, din punctul de vedere al observatorului asociat cu cadrul de referință K, centrul sferei va fi în punctul O și din punctul de vedere al observatorului asociat cu cadrul de referință K1. va fi la punctul O1. Dar aceeași suprafață sferică nu poate avea centrele O și O1. Această contradicție aparentă rezultă din raționamentul bazat pe postulațiile teoriei relativității.
Există o contradicție aici. Dar nu în teoria relativității în sine. Există numai
contradicție cu conceptele clasice de spațiu și timp, care la viteze mai mari sunt deja nedrepte.
Până la începutul secolului al XX-lea, nimeni nu sa îndoit că timpul era absolut. Două evenimente, simultane pentru locuitorii Pământului, sunt simultane pentru locuitorii oricărei civilizații spațiale. Crearea teoriei relativității a arătat că nu este așa.
Motivul inconsistenței conceptelor clasice de spațiu și timp este ipoteza incorectă privind posibilitatea transmiterii instantanee a interacțiunilor și a semnalelor de la un punct de spațiu la altul. Existența unei rate limitative a transferului finit de interacțiuni necesită o schimbare profundă a conceptelor obișnuite de spațiu și timp, bazate pe experiența de zi cu zi. Ideea timpului absolut, care curge o dată pentru totdeauna printr-un anumit tempo, complet independentă de materie și de mișcarea sa, se dovedește a fi greșită.
Dacă permitem propagarea instantanee a semnalelor, atunci afirmația că evenimentele din două puncte separate A și B separat spațial au loc simultan vor avea un înțeles absolut. Puteți pune ceasul în A și B și sincroniza-le cu semnale instantanee. Dacă un astfel de semnal este trimis de la A. de exemplu, la 0:45, și în același moment când momentul B ajunge la punctul B, atunci, ceasul arată același timp, adică mergeți sincron. În cazul în care un astfel nu există nici un meci, ceasul poate fi sincronizat, după ce devansate orele care arată mai puțin timp la momentul semnalului de plecare.
Orice evenimente, de exemplu, două lovituri de fulger, sunt simultane dacă apar simultan cu ceasul sincronizat.
Doar având la ceasurile sincronizate punctele A și B, este posibil să se judece dacă două evenimente au avut loc simultan sau nu în aceste puncte. Dar cum puteți sincroniza ceasul, situat la o anumită distanță unul de altul, dacă viteza de propagare a semnalelor nu este infinit de mare?
Pentru a sincroniza ceasul, este normal să recurgeți la semnale luminoase sau electromagnetice, de exemplu. Viteza undelor electromagnetice într-un vid este o valoare constantă definită și constantă.
Să analizăm în detaliu o metodă simplă de sincronizare a ceasului, care nu necesită nici o calcule. Să presupunem că cosmonautul vrea să știe dacă A și B sunt instalate în sensul acelor de ceasornic pe capetele opuse ale navei spațiale.
Pentru aceasta, folosind o sursă staționară față de nava și situată în mijlocul ei, cosmonautul produce o lumină de lumină. Lumina ajunge simultan în ambele ore. Dacă ceasul este în același timp, atunci ceasul este sincronizat.
Dar acest lucru se va întâmpla numai în raport cu cadrul de referință K1. asociate cu nava
În același sistem de referință K. în privința căruia nava
mișcări, situația este diferită. Ceasul de pe arcul navei este scos din locul unde a apărut lumina sursă (punctul cu coordonatele OS) și pentru a ajunge la ceasul A. lumina trebuie să depășească o distanță mai mare de jumătate din lungimea navei.
În contrast, ceasul din pupa se apropie de punctul de aprindere, și semnalul lungimea căii luminii de mai puțin de jumătate din navă (în cifrele de pe stânga arată modul în care, în primul caz, coordonatele x și x1 coincid în timp a focarului, și apoi, lumina ajunge în ore). Prin urmare, observatorul din sistemul K ajunge la concluzia că semnalele ajung la ceasul non-simultan.
Două evenimente la punctele A și B sunt simultane în sistemul K1. În sistemul principiului relativității, sistemele K1 și K sunt complet egale. Niciunul dintre aceste sisteme nu poate fi preferat. Prin urmare, suntem obligați să concluzionăm că simultanitatea evenimentelor separate spațial este relativă. Motivul relativității simultaneității este, după cum vedem, finitețea vitezei de propagare a semnalelor.
Simultanitatea evenimentelor este relativă. Nu putem vizualiza acest lucru vizual, "simțim", nu putem să o facem deoarece viteza luminii este mult mai mare decât viteza cu care ne mișcăm.
Principalele corolari care rezultă din postulațiile teoriei relativității.
Din postulaturile teoriei relativității rezultă o serie de consecințe importante privind proprietățile spațiului și timpului.
Relativitatea distanțelor. Distanța nu este o valoare absolută, ci depinde de viteza de mișcare a corpului față de un cadru de referință dat.
Indicăm lungimea tijei cu cadrul de referință K. în privința căruia tija este în repaus. Apoi lungimea l a acestei tije în cadrul de referință K1. în raport cu care tija se deplasează la o viteză determinată de formula:
După cum se poate observa din această formulă, l Relativitatea intervalelor de timp. Fie ca intervalul dintre două evenimente care au loc la același punct al sistemului inerțial K să fie egal cu # 964; 0. Aceste evenimente, de exemplu, pot fi două hit-uri metronomice, numărau câteva secunde. Apoi, intervalul # 964; între aceleași evenimente din cadrul de referință K1 care se deplasează față de sistemul K este exprimată după cum urmează: Este evident că # 964;> # 964; o. Acesta este efectul relativist al încetinirii timpului în mișcarea cadrelor de referință. Dacă v Legea relativistă de adăugare a vitezelor. Noile concepte relativiste ale spațiului și timpului corespund unei noi legi de adăugare a vitezelor. Este evident că legea clasică de adăugare a vitezelor nu poate fi adevărată, deoarece contrazice afirmația că viteza luminii în vid este constantă. Dacă trenul se deplasează la o viteză v și o undă luminoasă se propagă în tren în direcția trenului, viteza sa față de Pământ trebuie să fie din nou egală cu c. și nu v + c. Noua lege de adăugare a vitezelor ar trebui să ducă la rezultatul cerut. Să scriem legea adăugării de viteze pentru cazul particular când corpul se deplasează de-a lungul axei X1 a cadrului de referință K1. care la rândul ei se mișcă cu viteza v relativă la sistemul de referință K. Și în procesul de mișcare, axele de coordonate X și X1 coincid tot timpul și axele de coordonate Y și Y1. Z și Z1 și u rămân paralele. Indicați viteza corpului cu privire la K1 de v1. și viteza acestui corp cu privire la K în termenii lui v. Apoi, legea relativistă de adăugare a vitezelor va avea forma Dacă și. atunci fracțiunea din numitor poate fi neglijată și în loc de aceasta la stânga obținem legea clasică de adăugare a vitezelor: v2 = v1 + v. Pentru v1 = c, viteza v2 este de asemenea egală cu c. așa cum este cerut de al doilea postulat al teoriei relativității. De fapt, O proprietate remarcabilă a legii relativiste de adăugare a vitezelor este aceea că, pentru orice viteză v și v1 (desigur nu mai mare de c), viteza rezultantă v2 nu depășește c. curs de cursuri "Concepte ale științei naturale moderne" А.А. Gorelov manuale despre fizica G.Ya. Myakishev, B.B. Buhovtsi
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: