Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Евристичне значення збігу констант.



В середині XIX ст. французьким ученим И.Фізо і Л.Фуко уперше вдалося поставити досліди за визначенням швидкості світла в земних умовах за допомогою методів зубчастого колеса і дзеркала, що оберталося, що здійснювали періодичне переривання світлового сигналу. Зазвичай як результат досвіду Фізо (1849) наводиться значення 313-315 тис. км/с Наприклад, Би П.Вейнберг вважає, що результат Фізо відповідає 315324 тис. км/с або з урахуванням різних поправок 315282 км/с, С. Філонович - 314858 тис км/с, а М. Льоцці приводить інше значення швидкості світла з не обґрунтовано великою точністю: 313274304 м/с. Насправді, Фізо не привів значення швидкості світла і усі ці значення є розрахунковими. Значення 313274 км/с виходить (це відмічав, наприклад, Б.П. Вейнберг), якщо скористатися даними самого Фізо : відстань l= 8633 м, число зубців n = 720 і спостереження першого максимуму приблизно при v = 12,6 оборотів в секунду (c = 4n l v = 313274304 м/с = 313 тис. км/с).

Надалі метод Фізо був вдосконалений Корно, який в 1873 р. отримав на основі 675 спостережень значення швидкості світла 298,4-298,5 тис. км/с. Вейнберг, аналізуючи дані Корно, отримує 298453 км/с, вводячи поправки, - 298581 км/с, а за даними дослідів Корно 1874 р. - 300010 км/с. В 1900 р. Перротен також в дослідах із зубчастим колесом, що обертається, отримав 299900 км/с, а за даними дослідів 1902 р. - 299860 км/с. У 1862 р. Л. Фуко вдалося точніше визначити швидкість світла за допомогою методу дзеркал (ідея досвіду належала Ф. Араго (1838)), що оберталися, -. 298 тис. км/с (298374 км/с з поправкою Вейнберга). У 1878 р. і в 1879 р. А.Майкельсон на основі вдосконаленого методу Фуко отримав відповідно до 300140 км/з і 299910 км/с (299836 км/з по Вейнбергу). Цей же метод використав в 1880-81 рр. С. Ньюкомб (опубл. у 1891 р.) і отримав значення 299860 км/с (299753 км/с по Вейнбергу), а в 1891 р. А. Майкельсон - 299853 км/с. Збіг фізичних констант, характерних для різних фізичних явищ, показує зв'язок цих явищ, і, отже, напрям шляху, що веде до створення теорії, що описує ці явища на єдиній основі. В середині XIX століття такого роду збіг фізичних констант, що мають розмірність швидкості, стало важливим елементом в конструюванні єдиної теорії електрики, магнетизму і оптики.

В середині XIX ст. з'явилося декілька теорій, побудованих на основі миттєвої передачі дії, в яких звичайна сила Кулона модернізувалася шляхом введення додаткових доданків, пропорційних квадрату швидкості і прискоренню - теорії В. Вебера, Р. Клаузіуса, К. Неймана та ін. '). В якості коефіцієнтів при других доданках в цих теоріях фігурували константи, що мають розмірність квадрата швидкості.

У 1856 р. В. Вебер і Р. Кольрауш поставили досвід з метою зіставлення електромагнітних і механічних одиниць шляхом виміру механічної дії електрики. Їм вдалося визначити співвідношення між цими одиницями. "Найбільш важливим із застосувань, які може знайти собі приведення звичайних заходів сили струму до механічної міри, являється визначення константи, що входить в основний закон електрики, якою охоплюються одночасно електростатика, електродинаміка і індукція". - відмітили автори . Таким чином, в якості побічного результату вони змогли визначити коефіцієнт розмірності швидкості у законі Вебера : с = 439450 – 106мм/с= 593320 миль/с. Константа Вебера була більше швидкості світла в раз. Тому з досвіду Вебера- Кольрауша виходило значення швидкості світла 310740 км/с.

У 1858 р. Б. Риман представив Геттингенському науковому товариству мемуар "Тяжкість, електрика і магнетизм", в якому вивів узагальнене хвилеве рівняння для світла, теплового випромінювання, електрики і магнетизму. У цьому рівнянні фігурувала константа а, що має фізичний сенс швидкості поширення потенціалу.

Сам Риман зв'язав її з константою Вебера через співвідношення: . Враховуючи, що веберівська константа була , постійна Римана повинна була прямо дорівнювати швидкості світла. Дійсно, відповідність виявилася хорошою: з даних досвіду Вебера і Кольрауша Риман отримав значення своєю постійною: 41949 геогр. миль/сек і зіставив його зі значенням швидкості світла, отриманим із спостережень аберації Брадлеем і Бушем (41994 геогр. миль/сек) і прямих спостережень Фізо (41882 геогр. миль/сек) (см: Риман, 1948). Проте ця робота Римана була опублікована вже після його смерті і була невідома Максвеллу, принаймні на момент створення їм електромагнітній теорії. У 1857 р. Г. Кірхгоф першим помітив збіг констант, характерних для електрики і оптики. Для Максвелла це стало найважливішим аргументом електромагнітної природи світла. Так, в листі Фарадею 19 жовтня 1861 р. Максвелл писав:

"З певного Кольраушем і Вебером чисельного відношення між статичною і магнітною дією електрики я визначив пружність середовища в повітрі і, вважаючи, що вона тотожна з пружністю світлового ефіру, визначив швидкість поширення поперечних коливань. Результат - 193088 миль в секунду. Фізо визначив швидкість світла в 193118 миль в секунду прямим досвідом" '). Це зіставлення Максвелл опублікував в роботі "Про фізичні силові лінії" (1861- 1862 рр.). Максвелл визначає швидкість поширення поперечних коливань через пружне середовище і, використовуючи результат Вебера і Кольрауша, отримує V = 310740000000 мм/сек = 193088 англ., миль в сек. Швидкість світла в повітрі за визначенням Фізо дорівнює 70843 лігам в сек = = 314858000000 мм/сек = 195647 англ., миль/сек. По іншому джерелу, на яке посилається Максвелл (керівництво по астрономії Гелбрейта і Хоутона), значення Фізо відповідає 169944 геогр. милям/сек = 193118 англ., миль/сек, що виявляється ще ближче до значення Вебера і Кольрауша. "Швидкість поперечних коливань в нашому гіпотетичному середовищі, вичислена з електромагнітних дослідів Кольрауша і Вебера, так точно співпадає із швидкістю світла, вичисленою з оптичних дослідів Фізо, що ми навряд чи можемо відмовитися від виведення, що світло складається з поперечних коливань того ж самого середовища, яке є причиною електричного і магнітного явища", зробив висновок Максвелл. Другим важливим аргументом на користь електромагнітної природи світла стало виведене Максвеллом співвідношення між оптичними і електромагнітними константами. У тій же роботі "Про фізичні силові лінії" услід за зіставленням швидкостей, Максвелл виводить співвідношення між діелектричною постійною, магнітною проникністю і показником заломлення середовища : - (у сучасних позначеннях: ). Ці два співвідношення між константами різних явищ стали для Максвелла двома опорними точками в побудові їм теорії електромагнетизму, а для фізиків-експериментаторів - метою дослідів по перевірці максвелівської теорії.

У роботі "Динамічна теорія поля" (1864), в якій Максвелл уперше сформулював повну систему 20 рівнянь для електромагнітного поля (він записував окреме рівняння для кожної компоненти векторів), в якості слідства він вивів формулу, що зв'язує швидкість світла і коефіцієнт в законі Кулона до: . У прийнятій Максвеллом системі одиниць , де v - перевідний коефіцієнт між електромагнітними і електростатичними одиницями, отже, за максвелівською теорії V = v. Згідно з вимірами Вебера і Кольрауша, постійна V була рівна: V = 310740000 м/с, а значення швидкості світла - V = 314858000 (з досвіду Фізо), V = 298000000 (з досвіду Фуко), V = 308000000 (з коефіцієнта аберації і радіусу земної орбіти). Привівши ці дані, Максвелл робить наступний висновок: "Отже, швидкість світла, визначена експериментально, досить добре співпадає з величиной V, виведеною з єдиного ряду експериментів, якими ми досі розташовуємо. Значення було визначене шляхом виміру електрорушійної сили, за допомогою якої заряджається конденсатор відомої місткості, розряджаючи конденсатор через гальванометр, щоб виміряти кількість електрики в ньому в електромагнітних одиницях. Єдиним застосуванням світла в цих дослідах було використання його для того, щоб бачити інструменти. Значення V, знайдене Фуко, було отримане шляхом визначення кута, на який обертається дзеркало, що обертається, доки відбите ним світло пройшло туди і назад уздовж виміряного шляху. При цьому не користувалися яким-небудь чином електрикою і магнетизмом. Збіг результатів, мабуть, показує, що світло і магнетизм є проявами властивостей однієї і тієї ж субстанції і що світло є електромагнітним обуренням, що поширюється через поле відповідно до законів електромагнетизму". Далі "Відношення між показником заломлення і електромагнітною природою матерії" Максвелл виводить співвідношення ("питома індуктивна місткість середовища дорівнює квадрату її показника заломлення, що ділиться на коефіцієнт магнітної індукції"). У подальші декілька років ряд учених, у тому числі сам Максвелл, В. Томсон та ін., розробляють способи визначення співвідношення між електромагнітними і електростатичними одиницями. Також в цей період ставляться різні досліди, з яких також можна витягнути це співвідношення. Зведення шести різних способів визначення цієї постійної Максвел привів в другому томі "Трактата по електриці і магнетизму", опублікованому їм в 1873 р. Отримане самим Максвеллом в 1868 р. значення - 288000000 м/с. Рік потому В. Томсон отримав значення 282000000 м/с. У п. 787 Максвелл привів таблицю, в якій зіставив значення швидкості світла і стосунків електричних величин :

Швидкість світла (у метрах за секунду) Відношення електричних одиниць ( у метрах за секунду)
Фізо 314000000 Вебер 310740000
Аберація, паралакс Сонця 308000000 Максвел 282000000
Фуко 29836000 Томпсон 282000000

 

Максвелл зробив обережний висновок: "Очевидно, що швидкість і відношення одиниць є величинами одного і того ж порядку. Ні про одну з них не можна сказати, що вона досі визначена з такою мірою точності, яка дозволила б нам стверджувати, що одна величина більше або менше іншої. Слід сподіватися, що в результаті подальших дослідів відношення між розмірами цих двох величин буде встановлено точно Наша теорія, що стверджує, що ці дві величини рівні, і що висуває фізичні підстави цієї рівності, безумовно не спростовується порівнянням наявних результатів". В результаті робіт, з одного боку, А.Г. Столетова, Хімстедта, В. Томсона, Э.Б. Троянда, Дж.Дж. Томсона і Дж. Сирла та ін. за визначенням електричних одиниць, і, з іншого боку, робіт М.А. Корно, А. Майкельсона, С. Ньюкомба відмінність між цими постійними перейшла до кінця 1880-х рр. лише в четвертий знак, що свідчило на користь максвелівської теорії і зміцнювало позиції універсальності швидкості світла. У наступних параграфах Максвелл обговорює співвідношення між електромагнітними і оптичними константами. Він відмічає, що для прозорих тіл магнітна проникність близька до одиниці, тому співвідношення між показником заломлення і діелектричною і магнітною проникністю зводиться до співвідношення , тобто діелектрична постійна середовища дорівнює квадрату її показника заломлення. До моменту написання " Трактату" була лише одно речовина, для якої були відомі і показник заломлення і діелектрична постійна, - парафін. Максвелл посилається на експерименти Гібсона і Барклая, згідно з вимірами яких діелектрична постійна парафіну була рівна K = 1,975. Квадратний корінь з неї дорівнює 1,405, а показник заломлення для хвиль нескінченної довжини Максвелл виводить з даних Глэдстоуна : 1,422. "Різниця між цими числами більша, ніж її можна було б віднести за рахунок помилок спостереження; - робить висновок Максвелл, - вона показує, що наші теорії структури тіл мають бути значно поліпшені, перш ніж ми зможемо виводити оптичні властивості тіл з їх електричних властивостей. У той же самий час я думаю, що збіг чисел такий, що якщо не буде знайдено великих розбіжностей між числами, виведеними з оптичних і електричних властивостей значної кількості речовин, ми могли б обгрунтовано зробити висновок, що квадратний корінь з K, хоча він, можливо, і не є повним вираженням показника заломлення, щонайменше є найбільш важливим членом у він" Серед вітчизняних учених обидва співвідношення експериментально досліджував А.Г. Столетов; у 1880 р. для відношення електричних величин він отримав значення 299000 м/с. Співвідношення між показником заломлення і електромагнітними константами речовин перевірялося Л. Больцманом (1872), А.Г. Столетовым, Н.И. Шіллером (1874), П.А. Зиловым (1875) та ін.

Таким чином, збіг констант, отриманих в результаті експериментального вивчення явищ різної (як спочатку вважалося) природи, мав евристичне значення для створення електромагнітної теорії світла. Збіг констант має загальне значення; у цьому проявляється єдність фізики. Надалі евристичне значення мало відкриття одній і тій же постійною Н в теорії теплового випромінювання, в законі фотоефекту, в теорії атома Бору та ін.




Поиск по сайту:







©2015-2020 mykonspekts.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.