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

Ейнштейн і принцип постійності швидкості світла.



З проблемами, пов'язаними з виявленням ефіру, А.Эйнштейн познайомився коли прочитав книгу Г.А. Лоренца. Принаймні до 1901 р. А. Ейнштейн вірив в існування ефіру і придумував різні досліди для його виявлення. У початковий період навчання в Цюріхському Політехнікумі Ейнштейн активно цікавився експериментальною фізикою і часто працював у фізичній лабораторії. Проте досліди по виявленню ефіру йому провести не вдалося, спочатку через відсутність дозволу на ці досліди від свого наукового керівника Г.Ф. Вебера, потім із-за зміщення його інтересів від експериментальної до теоретичної фізики. Основні положення, що лягли в основу спеціальної теорії відносності, сформувалися, як згадував Ейнштейн, приблизно за 5-6 тижнів до закінчення роботи над статтею "До електродинаміки тіл", що рухаються. Цьому передував рік роздумів над протиріччям електродинаміки і механіки в законі складання швидкостей, причому Ейнштейн спочатку намагався піти саме шляхом динамічної інтерпретації, Лоренцем, що розвивається. Про цей період А. Ейнштейн коротко розповів в лекції в Кіото в грудні 1922 р. незабаром після отримання звістки про присудження йому Нобелівській премії по фізиці: "У той час я був упевнений в справедливості рівнянь електродинаміки Максвелла-Лоренца. Більше того, з них витікали співвідношення так званої інваріантності швидкості світла, внаслідок чого ці рівняння мають бути справедливими і для систем відліку, що рухаються. Проте інваріантність швидкості світла суперечила відомому з механіки правилу складання швидкостей. Намагаючись вирішити це протиріччя, я зіткнувся з величезними труднощами. Я витратив даремно майже рік, намагаючись дещо видозмінити ідеї Лоренца, і дійшов висновку, що загадка зовсім не проста". Далі Ейнштейн розповідає, в який момент у нього народилася ідея саме кінематичної інтерпретації".У один воістину прекрасний день" у кінці травня 1905 р. Ейнштейн прийшов до свого друга М.Бессо і став обговорювати з ним ці проблеми. Саме в ході обговорення Ейнштейн знайшов рішення цієї задачі : "Ми з ним розглядали її з усіх боків, поки я не зрозумів в чому справу. Наступного дня я знову прийшов до нього і, не вітаючись, сказав: "Спасибі! Я, нарешті, вирішив це завдання". Рішення полягало в перегляді поняття часу, тобто виявилось, що час не може визначатися абсолютно - є нерозривний зв'язок між часом і швидкістю поширення сигналів. На основі такого представлення можна здолати усі величезні труднощі. Через п'ять тижнів з тієї миті, як я це усвідомив, спеціальна теорія відносності була готова". У своїй статті, що поступила в "Annalen der Physik" 30 червня 1905 р., А. Ейнштейн не зробив жодного посилання на роботи попередників, але виразив вдячність М. Бессо як "вірному помічникові при розробці викладених тут проблем", якому автор "зобов'язаний за ряд цінних вказівок". Таким чином, дискусія з М. Бессо можливо допомогла Ейнштейнові усвідомити відносність одночасності і придти до поняття часу як локального часу, який фігурував в роботах попередників лише як допоміжна величина. Однією з найбільш важливих історико-наукових проблем, пов'язаних із створенням СТВ, є з'ясування впливу робіт попередників - передусім, Г.А. Лоренца і А. Пумнкаре. Поза сумнівом, що на створення СТВ Ейнштейном вплинула критика А.Пуанкаре поняття абсолютної одночасності, висловлена їм, зокрема, в книзі "Наука і гіпотеза" (1902). Також сам термін "принцип відносності" був, очевидно, сприйнятий Ейнштейном саме від Пуанкаре. Вважається, що Ейнштейн не був знайомий з доповіддю А. Пумнкаре на конгресі у вересні 1904 р. в Сент-Луісі, в якому Пуанкаре висловив найважливішу ідею про швидкість світла як верхню межу швидкостей і необхідності перегляду у зв'язку з цим механіки. Проте відносно цього можна висловити припущення, що ця доповідь могла знати М. Бессо, через якого деякі ідеї Пуанкаре могли вплинути і на Ейнштейна. Засаднича стаття Ейнштейна "До електродинаміки тіл" (предст. 30 червня 1905 р.), що рухаються, розпочинається з ввідних зауважень, в яких автор висловлює "припущення, що для усіх координатних систем, для яких справедливі рівняння механіки, мають місце ті ж самі електродинамічні і оптичні закони, як це вже доведено для величин першого порядку", тобто на сучасній мові - в усіх інерціальних системах відліку рівняння механіки і електродинаміки не міняються. Далі Ейнштейн перетворює це припущення на постулат і вводить ще один постулат про універсальність швидкості світла у вакуумі: "Ми маємо намір це припущення (зміст якого надалі називатимемо принципом відносності) перетворити на передумову і зробити, крім того, додаткове допущення, що знаходиться з першим лише в уявному протиріччі, а саме: що світло в порожнечі завжди поширюється з певною швидкістю V, не залежною від стан рух випромінюючий тіло. Ці дві передумови достатні для того, щоб, поклавши в основу теорію Максвелла для тіл, що покояться, побудувати просту, вільну від протиріч електродинаміку що рухаються тел. Тоді введення "світлоносного ефіру" виявиться зайвим, оскільки в пропонованій теорії не вводиться простір", що "абсолютно покоїться, наділений особливими властивостями, а також жодній точці порожнього простору, в яка протікає електромагнітний процес, не приписується який-небудь вектор швидкість". Стаття Ейнштейна складалася з двох частин - кінематичної і електродинамічної, кожна з яких включала п'ять параграфів. У першому параграфі Ейнштейн визначає "час винятково для того місця, в якому годинник якраз знаходиться", тобто встановлює поняття місцевого часу, а потім дає операціональне визначення поняття одночасності - через синхронізацію годинника за допомогою світлового сигналу. Найважливішим пунктом такого визначення є універсальність швидкості світла у вакуумі. "Згідно з досвідом, – пише Ейнштейн, – ми вважаємо також, що величина є універсальна константа (швидкість світла в порожнечі). У другому параграфі А. Ейнштейн дає чіткіше визначення "принципу відносності і принципу постійності швидкості світла" : "1) Закони, по яких змінюються стани фізичних систем, не залежать від того, до якої з двох координатних систем, що знаходяться один відносно одного в рівномірній поступальній ході, ці зміни стану відносяться. 2) Кожен промінь світла рухається в системі координат, що покоїться, з певною швидкістю V незалежно від того, чи випускається цей промінь світла тілом, що покоїться або рухається. При цьому швидкість = шлях променя світла/проміжок часу, причому "проміжок часу" слід розуміти в сенсі визначення в § 1". Спираючись на ці принципи, Ейнштейн показує помилковість уявлень про абсолютне значення поняття одночасності : "Дві події, одночасні при спостереженні з однієї координатної системи, не сприймаються більше як одночасні при розгляді з системи, відносно цієї системи", що рухається.

У третьому параграфі Ейнштейн виводить релятивістські перетворення руху і відмічає, що вони утворюють групу. У четвертому параграфі Ейнштейн аналізує фізичний сенс перетворень рухи для твердих тіл, що рухаються, і годинника і виводить формулу подовжнього скорочення тіл (скорочення Лоренца-Фицджеральда). П'ятий параграф присвячений виведенню і аналізу релятивістської формули складання швидкостей.

Далі Ейнштейн переходить до електродинамічної частини. У шостому параграфі Ейнштейн показує інваріантність рівнянь Максвелла (у його термінології - рівнянь Максвелла-Герца) відносно перетворень руху, виведених їм в третьому параграфі. Сьомий параграф присвячений виведенню релятивістських формул аберації і ефекту Доплера. Важливість цього виведення полягала в тому, що в класичній фізиці ці два кінематичні ефекти ніяк не пов'язані. Теорія відносності зв'язала їх - вони стали інтерпретуватися як наслідок зміни 4-х хвилевого вектору при перетворенні руху, т. е. як дві сторони одного і того ж явища. У восьмому параграфі Ейнштейн виводить перетворення енергії променів світла при перетворенні руху. У дев'ятому параграфі Ейнштейн розглядає перетворення рівнянь Максвелла з урахуванням існування конвекційних струмів і показує, що рівняння руху заряджених часток (електронів) залишаються інваріантними при перетворенні руху, т. е. підкоряються принципу відносності (при цьому він використовує отриману в п'ятому параграфі формулу складання швидкостей). Як наслідок він також отримує, що заряд залишається інваріантним в інерціальних системах. У останньому, десятому параграфі Ейнштейн розглядає динаміку повільно прискореного електрона і, зберігаючи рівняння класичної механіки виводить формули " подовжньою" і " поперечною" мас, що дещо відрізняються від знайдених раніше Г.А. Лоренцем Як бачимо, у Ейнштейна ще зберігалися динамічні " ліси", які надалі повністю зникли. Ейнштейн також отримує правильну релятивістську формулу для кінетичної енергії електрона. У укладенні Ейнштейн приводить три що піддаються досвідченій перевірці властивості руху електрона в електромагнітному полі.

А Ейнштейн у своїй статті не показує, що формули його релятивістської кінематики (наприклад, формула складання швидкостей, формула ефекту Доплера, формула кінетичної енергії електрона та ін.) переходять у формули класичної механіки при швидкостях багато менших швидкості світла c. Тобто він не перевіряє виконання принципу відповідності (який був сформульований пізніше, але передбачений Больцманом і Пуанкаре). Також він не вказує на існування нових чисто релятивістських ефектів, що піддаються досвідченій перевірці (наприклад, поперечного ефекту Доплера; це він зробив тільки через два роки в статті.

У наступній статті чи "Залежить інерція тіла від енергії", що міститься в ній, поступила в "Annalen der Physik" 27 вересня 1905 р. Ейнштейн так формулює принцип відносності : "Закони, по яких змінюються стани фізичних систем, не залежать від того, до якою з двох координатних систем, що знаходяться в рівномірному паралельно-поступальному русі один відносно одного, віднесені ці зміни стану (принцип відносності) ". Далі Ейнштейн вказує на результати, які отримав в попередній статті на основі цього принципу, відмічаючи у виносці, що "застосований там принцип постійності швидкості світла міститься, звичайно, в рівняннях Максвелла".

Г.А. Лоренц, прекрасно розуміючи математичний апарат спеціальної теорії відносності, проте не зміг прийняти кінематичну інтерпретацію Ейнштейна. У лекції 1913 р. в Гарлеме Г.А. Лоренц прямо висловився проти основних представлень СТВ – передусім, поняття відносності одночасності. Лоренц підкреслив, що він є прибічником "старої концепції, відповідності з якою ефір має хоч би мінімальну матеріальність, між простором і часом можна провести чітку межу, а про одночасність можна говорити без додаткових уточнень". Далі Лоренц привів аргументи на користь існування швидкостей, великих швидкості світла у вакуумі : "На підтвердження останньої тези можна нагадати про властиву нам здатність уявляти собі довільно великі швидкості. При цьому ми максимально наближаємося до концепції абсолютної одночасності. Нарешті, сміливе припущення про неможливість спостерігати швидкості, великі швидкості світла, містить гіпотетичне обмеження, що накладається на нашу здатність до сприйняття, яке не може бути прийняте беззастережно". Таким чином, Лоренц висунув чисто психологічну аргументацію людської здатності представляти будь-які скільки завгодно великі швидкості. Надалі ця аргументація неодноразово висувалася проти СТВ. У 1949 р. В.А. Фок провів аналогію між такого роду аргументацією і прагненням створити вічний двигун. Якщо такий авторитетний учений як Лоренц не зміг знайти аргументацію, окрім чисто психологічної, це вже саме по собі показувало нездатність інтерпретації спостережуваних явищ на основі класичної картини світу. Слід зазначити, що будь-яке твердження про "скільки завгодно великі швидкості" не має фізичного сенсу до тих пір, поки не встановлений масштаб виміру швидкості. Класична фізика не вводила ніяких абсолютних масштабів. Сенс СТВ полягає в тому, що саме ця теорія уперше встановила абсолютний масштаб, масштаб виміру швидкості - швидкість світла у вакуумі. Тільки порівняно з цим масштабом ми можемо говорити про " малі" або " великі" швидкості.

 

 




Поиск по сайту:







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