Koti › Niveltulehdus › Suhteellisuusperiaate. Suhteellisuusteorian postulaatit

Suhteellisuusperiaate. Suhteellisuusteorian postulaatit

Suhteellisuusperiaate ja Newtonin lait

Galileon suhteellisuusperiaate siirtyi orgaanisesti I. Newtonin luomaan klassiseen mekaniikkaan. Se perustuu kolmeen "aksioomaan" - Newtonin kolmeen kuuluisaan lakiin. Jo ensimmäinen niistä, joka kuuluu: "Jokainen ruumis pysyy edelleen levossa tai tasaisessa ja suoraviivaisessa liikkeessä, kunnes ja elleivät siihen kohdistuvat voimat pakota sitä muuttamaan tätä tilaa", puhuu liikkeen suhteellisuudesta ja Samalla aika osoittaa viitejärjestelmien olemassaolon (niitä kutsuttiin inertiaaliseksi), joissa kappaleet, jotka eivät koe ulkoisia vaikutuksia, liikkuvat "hitaalla" kiihtymättä tai hidastumatta. Juuri tällaisia inertiajärjestelmiä tarkoitetaan Newtonin kahden muun lain muotoilussa. Siirtyessään inertiajärjestelmästä toiseen monet kappaleiden liikettä kuvaavat suureet muuttuvat, esimerkiksi niiden nopeudet tai liikeradan muoto, mutta liikkeen lait eli näitä suureita yhdistävät suhteet pysyvät vakioina.

Galilean muunnokset

Kuvatakseen mekaanisia liikkeitä eli muutoksia kappaleiden sijainnissa avaruudessa Newton muotoili selkeästi ajatuksia tilasta ja ajasta. Avaruutta pidettiin eräänlaisena "taustana", jota vasten materiaalipisteiden liike avautuu. Niiden sijainti voidaan määrittää esimerkiksi karteesisten koordinaattien x, y, z avulla ajasta t riippuen. Kun siirrytään yhdestä inertiavertailujärjestelmästä K toiseen K", siirretään suhteessa ensimmäiseen x-akselia pitkin nopeudella v, koordinaatit muunnetaan: x" = x - vt, y" = y, z" = z, ja aika pysyy ennallaan: t" = t. Näin ollen oletetaan, että aika on absoluuttinen. Näitä kaavoja kutsutaan Galilean muunnoksiksi.

Newtonin mukaan avaruus toimii eräänlaisena koordinaattiverkona, johon aine ja sen liike eivät vaikuta. Aika sellaisessa "geometrisessa" maailmankuvassa lasketaan ikään kuin jonkin absoluuttisen kellon avulla, jonka kulkua mikään ei voi nopeuttaa tai hidastaa.

Suhteellisuusperiaate sähködynamiikassa

Yli kolmensadan vuoden ajan Galileon suhteellisuusperiaate liitettiin vain mekaniikkaan, vaikka 1800-luvun ensimmäisellä neljänneksellä, pääasiassa M. Faradayn teosten ansiosta, syntyi sähkömagneettisen kentän teoria, jota sitten kehitettiin edelleen. ja matemaattisesti muotoiltu J.K. Maxwell. Mutta suhteellisuusperiaatteen siirtäminen sähködynamiikkaan vaikutti mahdottomalta, koska uskottiin, että kaikki tila oli täytetty erityisellä väliaineella - eetterillä, jonka jännitys tulkittiin sähkö- ja magneettikenttien intensiteetiksi. Samaan aikaan eetteri ei vaikuttanut kappaleiden mekaanisiin liikkeisiin, joten mekaniikassa sitä "ei tuntunut", mutta eetteriin nähden liikkeen ("eetterituuli") olisi pitänyt vaikuttaa sähkömagneettisiin prosesseihin. Seurauksena oli, että suljetussa hytissä oleva kokeilija pystyi tällaisia prosesseja tarkkailemalla näennäisesti määrittämään, oliko hänen hyttinsä liikkeessä (absoluuttinen!) vai oliko se levossa. Erityisesti tutkijat uskoivat, että "eetterituulen" pitäisi vaikuttaa valon etenemiseen. Yritykset löytää "eetterituulen" kuitenkin epäonnistuivat, ja mekaanisen eetterin käsite hylättiin, minkä vuoksi suhteellisuusperiaate ikään kuin syntyi uudelleen, mutta yleismaailmallisena, ei vain mekaniikassa. , mutta myös sähködynamiikassa ja muilla fysiikan aloilla.

Lorentzin muunnoksia

Aivan kuten Newtonin yhtälöt ovat mekaniikan lakien matemaattinen muotoilu, Maxwellin yhtälöt ovat kvantitatiivinen esitys sähködynamiikan laeista. Näiden yhtälöiden muodon tulee myös pysyä muuttumattomana siirryttäessä inertiavertailujärjestelmästä toiseen. Tämän ehdon täyttämiseksi on välttämätöntä korvata Galilean muunnokset muilla: x"= g(x-vt); y"= y; z"=z; t"=g(t-vx/c 2), missä g = (1-v 2 / c 2) -1/2, ja c on valon nopeus tyhjiössä. Viimeisimmät muunnokset, jotka H. Lorentz perusti vuonna 1895 ja jotka kantavat hänen nimeään, ovat erityisen (tai erikoisen) suhteellisuusteorian perusta. Kohdassa vc ne muuttuvat Galilean muunnoksiksi, mutta jos v on lähellä c:tä, ilmenee merkittäviä eroja aika-avaruuden kuvasta, jota yleensä kutsutaan ei-relativistiseksi. Ensinnäkin paljastuu tavanomaisten intuitiivisten ajatuskäsitysten epäjohdonmukaisuus, niin käy ilmi, että tapahtumat, jotka esiintyvät samanaikaisesti yhdessä viitekehyksessä, lakkaavat olemasta samanaikaisia toisessa. Myös nopeusmuunnoslaki muuttuu.

Fysikaalisten suureiden muunnos relativistisessa teoriassa

Relativistisessa teoriassa spatiaaliset etäisyydet ja aikavälit eivät pysy muuttumattomina siirryttäessä vertailujärjestelmästä toiseen, siirryttäessä suhteessa ensimmäiseen nopeudella v. Pituudet pienennetään (liikesuunnassa) 1/g kertaa ja aikavälejä "venytetään" saman verran. Samanaikaisuuden suhteellisuus on nykyaikaisen osittaisen suhteellisuusteorian tärkein perustavanlaatuinen uusi piirre.

Määritelmä 1

Elektrodynamiikka on fysiikan haara, joka tutkii sähkömagneettisia kenttiä ja niiden välisiä vuorovaikutuksia.

Kuva 1. Sähködynamiikan käsite. Author24 - opiskelijatöiden verkkovaihto

Klassinen sähködynamiikka kuvaa kattavasti kaikkia sähkö- ja magneettikenttien ominaisuuksia ja ottaa huomioon myös fysikaaliset lait, joiden vuoksi jotkut fyysiset kappaleet joutuvat kosketuksiin toisten, joilla on positiivinen sähkövaraus.

Sähkömagneettista kenttää kutsutaan yleensä universaaliksi ainetyypiksi, joka ilmenee yhden varautuneen elementin vaikutuksesta toiseen. Usein sähkömagneettista kenttää tutkittaessa erotetaan sen pääkomponentit: sähkökenttä ja magneettikenttä.

Määritelmä 2

Sähkömagneettinen potentiaali on erityinen fysikaalinen suure, joka määrittää tarkasti kentän jakautumisen yleisavaruudessa.

Elektrodynamiikka voidaan jakaa:

sähköstatiikka;
jatkuvuuden sähködynamiikka;
magnetostaatit;
relativistinen sähködynamiikka.

Poynting-vektori on fysikaalinen suure, joka on kenttäenergian vuotiheyden päävektori sähködynamiikassa. Tämän vektorin suuruus on verrannollinen energiaan, joka voidaan siirtää väliaikaisen tilan yksikköön yksikköpinta-alan kautta, joka on suoraan kohtisuorassa sähkömagneettisen induktion jakautumissuuntaan nähden.

Elektrodynamiikka tarjoaa hyvän pohjan optiikan ja radioaaltofysiikan kehitykselle. Näitä tieteenaloja pidetään sähkö- ja radiotekniikan perustana. Klassinen sähködynamiikka käyttää Maxwellin yhtälöiden käsitettä kuvaamaan sähkömagneettisten kenttien keskeisiä ominaisuuksia ja vuorovaikutuksen periaatteita täydentäen sitä yleismaailmallisilla materiaaliyhtälöillä, alku- ja reunaehdoilla.

Suhteellisuusperiaate sähködynamiikassa

Sähködynamiikan suhteellisuusperiaatteen muodosti 1800-luvun jälkipuoliskolla Maxwell, joka esitteli yleisölle sähkömagneettisen kentän toiminnan peruslait. Tämän seurauksena heräsi looginen kysymys, päteekö tämä malli sähködynamiikan ilmiöihin. Toisin sanoen on selvitettävä, voivatko sähkömagneettiset prosessit, jotka ovat vuorovaikutuksessa varausten ja virtojen välillä, etenemään tasaisesti kaikissa inertiaalisissa vertailukehyksissä vai hajaantuvatko ne tasaisesti mekaanisissa prosesseissa.

Oikean ja täydellisen vastauksen antamiseksi tähän kysymykseen fyysikot päättivät aluksi määrittää, muuttuvatko sähködynamiikan keskeiset lait muuttuessaan järjestelmästä toiseen vai säilyvätkö ne muuttumattomina, kuten Newtonin hypoteesit. Vain jälkimmäisessä tapauksessa on suositeltavaa olla epäilemättä tutkittavan periaatteen pätevyyttä sähkömagneettisen kentän menetelmien suhteen ja sitten pitää tätä järjestelmää yleisenä luonnonlakina.

Huomautus 1

Sähködynamiikan lait ovat varsin monitahoisia ja monimutkaisia, joten asiantunteva ratkaisu tähän ongelmaan ei ole helppo tehtävä.

Jo vakiintuneiden näkökohtien avulla voimme kuitenkin löytää järkevän vastauksen. Sähködynamiikan periaatteiden mukaan sähköisten ja magneettisten aaltojen kokonaisetenemisnopeus tyhjiössä on aina sama. Kuitenkin toisaalta tämä indikaattori voidaan rinnastaa myös yhteen valittuun referenssijärjestelmään Newtonin mekaniikan nopeuksien summausteorian mukaisesti.

Tämä tarkoittaa, että jos tavanomainen nopeuksien yhteenlaskulaki on oikeudenmukainen ja pätevä, niin myöhemmässä siirtymävaiheessa inertiakäsitteestä toiseen sähködynamiikan periaatteiden on välttämättä muututtava siten, että uudessa vertailukehyksessä valon nopeus on jo edustettuna täysin erilainen kaava.

Näin ollen fyysikot löysivät vakavia ristiriitoja Newtonin mekaniikan ja sähködynamiikan välillä, joiden lait eivät ole yhdenmukaisia suhteellisuusperiaatteen kanssa.

He yrittivät voittaa syntyneet vaikeudet seuraavilla menetelmillä:

julistetaan sähkömagneettisiin prosesseihin sovellettava suhteellisuusperiaate kestämättömäksi;
tunnustaa Maxwellin yhtälöt vääriksi ja yrittää muuttaa niitä siten, että ne eivät muutu seuraavan siirtymisen aikana yhdestä inertiajärjestelmästä toiseen;
hylkäämään klassiset ajatukset ja ajatukset, jotta suhteellisuusperiaate ja Maxwellin lait säilyisivät edelleen.

On mielenkiintoista, että kolmas mahdollisuus osoittautui ainoaksi oikeaksi, sillä sitä johdonmukaisesti kehittämällä A. Einstein pystyi esittämään uusia ajatuksia tilasta ja ajasta. Kaksi ensimmäistä polkua kumottiin lopulta lukuisilla kokeilla. Siten ajatus inertiaalisen viitekehyksen olemassaolosta ei kestänyt kokeellista testausta.

Suhteellisuusperiaatetta pystyttiin harmonisoimaan sähködynamiikan menetelmien kanssa vasta sen jälkeen, kun tiedemiehet hylkäsivät klassiset ajatukset tilasta ja ajasta, joiden mukaan ajan ja etäisyyden virtaus eivät riipu halutusta viitekehyksestä.

Sähkövarauksen säilymisen periaate

Kun fyysisten kappaleiden sähköistyminen on epävakaa, käytetään positiivisen sähkövarauksen säilymislakia. Tämä malli pätee hyvin suljetulle fyysiselle käsitteelle. Varauksen säilymisen periaatteen pätevyys sähködynamiikassa on tärkeä rooli luonnossa, koska kaikki aineet sisältävät vain sähköisesti varautuneita hiukkasia.

Sähkömagneettisten voimien vuorovaikutusta kappaleiden välillä ei voida havaita, koska mikä tahansa aine on normaalitilassaan sähköisesti neutraali. Negatiivisesti ja positiivisesti varautuneet elementit ovat suoraan yhteydessä toisiinsa sähköstaattisten voimien avulla ja muodostavat neutraaleja järjestelmiä.

Makroskooppinen aine varautuu sähköisesti, jos se sisältää ylimäärän alkuainehiukkasia tietyllä varausmerkillä.

Tiedemiehet erottavat osan negatiivisesta varauksesta positiivisesta varauksesta fyysisen kehon sähköistämiseksi. Tämä voidaan tehdä kitkan avulla, johon liittyy valtavan määrän alkuainehiukkasten muunnosten tarkkailu.

Tutkittavan prosessin olemassaolo liikkuvien elementtien välisessä tilassa, jonka ansiosta äärellinen aika jaetaan, on tärkein asia, joka erottaa lyhyen kantaman toiminnan teorian etäisyyden toiminnan hypoteesista. Sähkökentän tärkein ominaisuus sähködynamiikassa on sen hiukkasten vaikutus muihin sähkövarauksiin.

Muistio 2

Sähköstaattinen kenttä voi ilmaantua vain sähkövarauksen vaikutuksesta, koska se on olemassa toisiinsa kytkettyjä varauksia ympäröivässä tilassa.

Magneettiset induktiolinjat sähködynamiikassa

Magneettisen induktion päävektorin suunnaksi tutkijat käyttävät etelänavan indikaattoria suhteessa pohjoiseen magneettineulaan, joka on vapaasti perustettu magneettikenttään. Tämä suunta elektrodynamiikassa on täysin sama kuin suljetun piirin positiivisen energian suunta virran kanssa. Positiivinen normaali liikkuu suuntaan, jossa gimletti muuntuu, jos sitä kierretään yhdensuuntaisesti kehyksessä olevan virran kanssa.

Kiinnityssääntö voidaan muotoilla seuraavasti: jos gimletin jatkuvan liikkeen suunta lopulta osuu yhteen johtimessa olevan virran kanssa, kahvan pyörimissuunta rinnastetaan automaattisesti magneettiseen induktiovektoriin. Aktiivisesti toimivan suoraviivaisen johtimen magneettikentässä nuoli on sijoitettu tiukasti tangenttiympyrää pitkin.

Määritelmä 3

Magneettiset induktioviivat ovat erikoisviivoja, joiden tangentit on suunnattu samalla tavalla kuin kentän tietyssä kohdassa oleva vektori.

Tasaisen kentän parametrit ovat aina yhdensuuntaisia, ja magneettien induktiolinjojen pääpiirrettä sähködynamiikassa kutsutaan niiden äärettömäksi. Kentät, joilla on suljetut voimalinjat, muodostavat magneettikentän, jolla ei ole lähteitä.

Oppitunnin tarkoitus: Muodostaa opiskelijoiden ymmärrystä siitä, kuinka tilan ja ajan käsitteet ovat muuttuneet Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian säännösten vaikutuksesta.

Tuntien aikana

1. Testityön analyysi.

2. Uuden materiaalin oppiminen.

1800-luvun lopulla muotoiltiin sähködynamiikan perusperiaatteet. Heräsi kysymys Galileon suhteellisuusperiaatteen pätevyydestä suhteessa sähkömagneettisiin ilmiöihin. Tapahtuuko sähkömagneettisia ilmiöitä samalla tavalla eri inertiajärjestelmissä: miten sähkömagneettiset aallot etenevät, miten varaukset ja virrat vuorovaikuttavat keskenään siirtyessään inertiajärjestelmästä toiseen?

Inertia on vertailujärjestelmä, jonka suhteen vapaat kappaleet liikkuvat vakionopeudella. Vaikuttaako tasainen suoraviivainen liike sähkömagneettisiin prosesseihin (eikö se vaikuta mekaanisiin ilmiöihin)?

Muuttuvatko sähködynamiikan lait vai pysyvätkö Newtonin lait vakioina siirtyessään inertiakehyksestä toiseen?

Esimerkiksi mekaniikan nopeuksien summauslakien mukaan nopeus voi olla c = 3·108 m/s vain yhdessä vertailujärjestelmässä. Toisessa vertailukehyksessä, joka itse liikkuu nopeudella V, valon nopeuden tulisi olla yhtä suuri kuin с̄-V̄. Mutta sähködynamiikan lakien mukaan sähkömagneettisten aaltojen nopeus tyhjiössä eri suuntiin on c = 3 108 m/s

Sähködynamiikan ja newtonilaisen mekaniikan välillä syntyi ristiriita.

Syntyneiden ristiriitojen ratkaisemiseksi ehdotettiin kolmea erilaista menetelmää.

Ensimmäinen tapa Ajatuksena oli luopua suhteellisuusperiaatteesta, jota sovelletaan sähkömagneettisiin ilmiöihin. Tätä mahdollisuutta tuki elektroniikkateorian perustaja H. Lorenz (hollantilainen). Sitten uskottiin, että sähkömagneettisia ilmiöitä esiintyy "maailman eetterissä" - tämä on kaikkialle leviävä väliaine, joka täyttää koko maailmantilan. Lorentz piti inertiavertailujärjestelmää levossa olevana järjestelmänä suhteessa eetteriin. Tässä järjestelmässä noudatetaan tiukasti sähködynamiikan lakeja ja tässä vertailujärjestelmässä valon nopeus tyhjiössä on sama kaikkiin suuntiin.

Toinen tapa oli julistaa Maxwellin yhtälöt vääriksi.

G. Hertz yritti kirjoittaa ne uudelleen siten, että ne eivät muuttuneet siirtyessä inertiajärjestelmästä toiseen, ts. kuten mekaniikan lait. Hertz uskoi, että eetteri liikkuu yhdessä liikkuvien kappaleiden kanssa ja siksi sähkömagneettiset prosessit tapahtuvat samalla tavalla riippumatta kappaleiden liikkeestä tai lopusta. Toisin sanoen G. Hertz säilytti suhteellisuusperiaatteen.

Kolmas tapa oli hylätä perinteiset ajatukset tilasta ja ajasta. Maxwellin yhtälöt ja suhteellisuusperiaate säilytettiin, mutta klassisen mekaniikan ilmeisimmät, perusajatukset jouduttiin luopumaan.

Tämä menetelmä ristiriitojen ratkaisemiseksi osoittautui lopulta oikeaksi.

Kokeilu kumosi sekä ensimmäisen että toisen yrityksen korjata sähködynamiikan ja mekaniikan välillä syntyneet ristiriidat jättäen suhteellisuusperiaatteen ennalleen.

Kehittäessään kolmatta tapaa ratkaista ongelma, A. Einstein osoitti, että ajatukset tilasta ja ajasta olivat vanhentuneita ja korvasi ne uusilla.

Hertzin korjaamat Maxwellin yhtälöt eivät pystyneet selittämään havaittuja ilmiöitä. Kokemus on osoittanut, että väliaine ei voi kuljettaa valoa mukanaan, koska se kuljettaa pois eetterin, jossa valo etenee.

Amerikkalaisten tutkijoiden A. Michelsonin ja E. Morleyn kokeet osoittivat, että "valoeetterin" kaltaista väliainetta ei ole olemassa

Maxwellin sähködynamiikka ja suhteellisuusperiaate osoittautui mahdolliseksi yhdistää hylkäämällä perinteiset käsitykset tilasta ja ajasta, eli etäisyys tai ajan kulku eivät ole riippuvaisia vertailujärjestelmästä.

Ajatukset tilasta ja ajasta ovat muuttuneet. Klassisten, vuosisatoja horjumattomina pidettyjen tila- ja aikakäsitysten mukaan liikkeellä ei ole vaikutusta ajan kulumiseen (aika on absoluuttinen), eivätkä minkään kehon lineaariset mitat riipu siitä, onko keho levossa vai liikkeessä ( pituus on ehdoton).

Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria on uusi tilan ja ajan oppi, joka korvasi vanhat (klassiset) ideat.

§ 75 ELEKTRODYNAMIIKAN LAIT JA SUHTEELLISUUSPERIAATE

Suhteellisuusperiaate mekaniikassa ja sähködynamiikassa. 1800-luvun jälkipuoliskolla. Maxwell muotoili sähködynamiikan peruslait: päteekö mekaanisiin ilmiöihin pätevä suhteellisuusperiaate myös sähkömagneettisiin ilmiöihin? Toisin sanoen, etenevätkö sähkömagneettiset prosessit (varausten ja virtojen vuorovaikutus, sähkömagneettisten aaltojen eteneminen jne.) samalla tavalla kaikissa inertiavertailukehyksissä? Tai kenties tasainen suoraviivainen liike, vaikuttamatta mekaanisiin ilmiöihin, vaikuttaa jonkin verran sähkömagneettisiin prosesseihin?

Näihin kysymyksiin vastaamiseksi oli tarpeen selvittää, muuttuvatko sähködynamiikan peruslait siirryttäessä inertiaalisesta viitekehyksestä toiseen vai pysyvätkö ne Newtonin lain tavoin ennallaan. Vain jälkimmäisessä tapauksessa voimme hylätä epäilykset suhteellisuusperiaatteen pätevyydestä suhteessa sähkömagneettisiin prosesseihin ja pitää tätä periaatetta yleisenä luonnonlakina.

Sähködynamiikan lait ovat monimutkaisia, eikä tämän ongelman tiukka ratkaisu ole helppo tehtävä. Kuitenkin yksinkertaiset pohdinnat näyttävät antavan meille mahdollisuuden löytää oikea vastaus. Sähködynamiikan lakien mukaan sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus tyhjiössä on sama kaikkiin suuntiin ja c = 3 10 8 m/s. Mutta Newtonin mekaniikan nopeuksien summauslain mukaan nopeus voi olla yhtä suuri kuin valon nopeus vain yhdessä valitussa vertailukehyksessä. Missä tahansa muussa vertailukehyksessä tämän valitun vertailukehyksen suhteen nopeudella liikkuessa valon nopeuden on oltava jo yhtä suuri kuin -. Tämä tarkoittaa, että jos tavallinen nopeuksien yhteenlaskulaki on voimassa, niin siirtyessään yhdestä inertiavertailujärjestelmästä toiseen sähködynamiikan lakien tulisi muuttua niin, että tässä uudessa vertailujärjestelmässä valon nopeus ei ole enää yhtä suuri kuin , vaan - .

Siten havaittiin tiettyjä ristiriitoja sähködynamiikan ja Newtonin mekaniikan välillä, joiden lait ovat yhdenmukaisia suhteellisuusperiaatteen kanssa. He yrittivät voittaa syntyneet vaikeudet kolmella eri tavalla.

Ensimmäinen tapa: julistaa suhteellisuusperiaatteen pätemättömäksi, kun sitä sovelletaan sähkömagneettisiin ilmiöihin. Tämän näkemyksen yhtyi suuri hollantilainen fyysikko, elektroniikkateorian X perustaja. Faradayn ajoista lähtien sähkömagneettisia ilmiöitä on pidetty prosesseina, jotka tapahtuvat erityisessä, kaikkialle leviävässä väliaineessa, joka täyttää kaiken tilan - maailmaneetterissä. Inertiaalinen viitekehys levossa suhteessa eetteriin on Lorentzin mukaan erityinen, ensisijainen viitekehys. Siinä Maxwellin sähködynamiikan lait ovat päteviä ja muodoltaan yksinkertaisimpia. Vain tässä vertailukehyksessä valon nopeus tyhjiössä on sama kaikkiin suuntiin.

Toinen tapa: pitää Maxwellin yhtälöitä väärinä ja yrittää muuttaa niitä siten, että ne eivät muutu siirryttäessä yhdestä inertiavertailujärjestelmästä toiseen (tavanomaisten, klassisten tila- ja aikakäsitysten mukaisesti). Tällaisen yrityksen teki erityisesti G. Hertz. Hertzin mukaan eetteri on täysin liikkuvien kappaleiden mukana ja siksi sähkömagneettiset ilmiöt etenevät samalla tavalla riippumatta siitä, onko keho levossa vai liikkeessä. Suhteellisuusperiaate pysyy voimassa.

Lopuksi kolmas tapa: hylätä klassiset tilan ja ajan käsitteet säilyttääkseen sekä suhteellisuusperiaatteen että Maxwellin lait. Tämä on vallankumouksellisin polku, koska se tarkoittaa fysiikan syvimpien, peruskäsitteiden tarkistamista. Tästä näkökulmasta katsottuna sähkömagneettisen kentän yhtälöt eivät ole epätarkkoja, vaan Newtonin mekaniikkalait, jotka ovat sopusoinnussa vanhojen ajatusten kanssa tilasta ja ajasta. Mekaniikan lakeja on muutettava, ei Maxwellin sähködynamiikan lakeja.

Kolmas tapa osoittautui ainoaksi oikeaksi. Kehittäessään sitä johdonmukaisesti A. Einstein sai uusia ajatuksia tilasta ja ajasta. Kaksi ensimmäistä tapaa, kuten käy ilmi, kumotaan kokeella.

Lorentzin näkemys, jonka mukaan absoluuttisessa levossa olevaan maailmaneetteriin täytyy liittyä valittu viitekehys, kumottiin suorilla kokeilla.

Jos valon nopeus olisi 300 000 m/s vain eetteriin liittyvässä vertailukehyksessä, niin mittaamalla valon nopeus mielivaltaisessa inertiaalisessa vertailukehyksessä olisi mahdollista havaita tämän vertailujärjestelmän liike suhteessa eetteriä ja määritä tämän liikkeen nopeus.

Einstein Albert (1879-1955)- 1900-luvun suuri fyysikko. Hän loi uuden teorian tilasta ja ajasta - erityisen suhteellisuusteorian. Yleistäen tämän teorian ei-inertiaalisille viitejärjestelmille, hän kehitti yleisen suhteellisuusteorian, joka on nykyaikainen painovoimateoria. Hän esitteli ensimmäistä kertaa valohiukkasten - fotonien - käsitteen. Hänen työnsä Brownin liikkeen teoriassa johti aineen rakenteen molekyylikineettisen teorian lopulliseen voittoon.

Aivan kuten tuuli syntyy ilmaan nähden liikkuvassa vertailukehyksessä, liikkuessaan suhteessa eetteriin (jos eetteriä tietysti on), tulisi havaita "eetterituuli". Amerikkalaiset tutkijat A. Michelson ja E. Morley suorittivat vuonna 1881 kokeen "eetterituulen" havaitsemiseksi Maxwellin 12 vuotta aiemmin ilmaiseman ajatuksen pohjalta.

Tässä kokeessa verrattiin valon nopeutta Maan liikkeen suunnassa ja kohtisuorassa suunnassa. Mittaukset suoritettiin erittäin tarkasti erityisellä laitteella - Michelson-interferometrillä. Kokeet tehtiin eri vuorokaudenaikoina ja eri vuodenaikoina. Mutta tulos oli aina negatiivinen: Maan liikettä suhteessa eetteriin ei voitu havaita.

Siten ajatus suosituimmuusviitekehyksen olemassaolosta ei kestänyt kokeellista testausta. Tämä puolestaan merkitsi sitä, ettei ollut olemassa mitään erityistä väliainetta, "valopitoista eetteriä", johon tällainen suositeltava viitekehys voitaisiin yhdistää.

Kun Hertz yritti muuttaa Maxwellin sähködynamiikan lakeja, kävi ilmi, että uudet yhtälöt eivät pystyneet selittämään monia havaittuja tosiasioita. Siten Hertzin teorian mukaan liikkuvan veden pitäisi ottaa kokonaan mukaansa siinä etenevä valo, koska se ottaa mukaansa eetterin, jossa valo etenee. Kokemus on osoittanut, että todellisuudessa näin ei ole.

Suhteellisuusperiaate osoittautui mahdolliseksi sovittaa yhteen Maxwellin sähködynamiikan kanssa vain luopumalla klassisista tilan ja ajan käsitteistä, joiden mukaan etäisyydet ja ajan kuluminen eivät ole riippuvaisia vertailujärjestelmästä.

Myakishev G. Ya., fysiikka. 11. luokka: koulutus. yleissivistävää koulutusta varten oppilaitokset: perus- ja profiili. tasot / G. Ya Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; muokannut V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17. painos, tarkistettu. ja ylimääräisiä - M.: Koulutus, 2008. - 399 s.: ill.

Kalenteri-teemasuunnittelu, tehtävät 11. luokan koululaisille fysiikan ladattavissa, Fysiikka ja tähtitiede verkossa

Oppitunnin sisältö oppituntimuistiinpanot tukevat kehystunnin esityksen kiihdytysmenetelmiä interaktiivisia tekniikoita Harjoitella tehtävät ja harjoitukset itsetestaus työpajat, koulutukset, tapaukset, tehtävät kotitehtävät keskustelukysymykset retoriset kysymykset opiskelijoilta Kuvituksia ääni, videoleikkeet ja multimedia valokuvat, kuvat, grafiikat, taulukot, kaaviot, huumori, anekdootit, vitsit, sarjakuvat, vertaukset, sanonnat, ristisanatehtävät, lainaukset Lisäosat abstrakteja artikkelit temppuja uteliaille pinnasängyt oppikirjat perus- ja lisäsanakirja muut Oppikirjojen ja oppituntien parantaminenkorjata oppikirjan virheet fragmentin päivittäminen oppikirjaan, innovaatioelementit oppitunnilla, vanhentuneen tiedon korvaaminen uudella Vain opettajille täydellisiä oppitunteja kalenterisuunnitelma vuodelle; Integroidut oppitunnit

Sähködynamiikan luomisen jälkeen heräsi epäilyksiä Galileon suhteellisuusperiaatteen pätevyydestä sähkömagneettisiin ilmiöihin sovellettaessa.

1800-luvun jälkipuoliskolla. Maxwell muotoili sähködynamiikan peruslait, päteekö mekaanisiin ilmiöihin pätevä suhteellisuusperiaate myös sähkömagneettisiin ilmiöihin. Toisin sanoen, etenevätkö sähkömagneettiset prosessit (varausten ja virtojen vuorovaikutus, sähkömagneettisten aaltojen eteneminen jne.) samalla tavalla kaikissa inertiavertailukehyksissä? Tai kenties tasainen suoraviivainen liike, vaikuttamatta mekaanisiin ilmiöihin, vaikuttaa jonkin verran sähkömagneettisiin prosesseihin?

Tähän kysymykseen vastaamiseksi oli tarpeen selvittää, muuttuvatko sähködynamiikan peruslait (Maxwellin yhtälöt) siirryttäessä yhdestä inertiajärjestelmästä toiseen vai säilyvätkö ne kuten Newtonin lait ennallaan. Vain jälkimmäisessä tapauksessa voimme hylätä epäilykset suhteellisuusperiaatteen pätevyydestä suhteessa sähkömagneettisiin prosesseihin ja pitää tätä periaatetta yleisenä luonnonlakina.

Kahden inertiavertailujärjestelmän koordinaattien ja ajan arvot liittyvät toisiinsa Galilean muunnoksilla. Galileon muunnokset ilmaisevat klassisia ajatuksia tilasta ja ajasta. Newtonin yhtälöt ovat invariantteja Galilean muunnoksissa, ja tämä tosiasia ilmaisee mekaniikan suhteellisuusperiaatteen.

Sähködynamiikan lait ovat monimutkaisia, ja sen selvittäminen, ovatko nämä lait invariantteja Galilean muunnoksissa vai eivät, ei ole helppo tehtävä. Kuitenkin yksinkertaiset pohdinnat antavat jo mahdollisuuden löytää vastaus. Maxwellin sähködynamiikassa sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus tyhjiössä on sama kaikkiin suuntiin ja yhtä suuri kuin Kanssa= 3⋅10 10 cm/s. Mutta toisaalta, Galileon muunnoksista johtuvan nopeuksien summauslain mukaan nopeus voi olla yhtä suuri kuin c vain yhdessä valitussa vertailukehyksessä. Missä tahansa muussa vertailukehyksessä, joka liikkuu suhteessa tähän valittuun kehykseen nopeudella \(\vec(\upsilon ),\), valon nopeuden on oltava yhtä suuri kuin \(\vec(c)-\vec(\upsilon )\) . Tämä tarkoittaa, että jos tavallinen nopeuksien summauslaki on voimassa, niin siirtyessään yhdestä inertiakehyksestä toiseen sähködynamiikan lakien tulisi muuttua niin, että tässä uudessa vertailukehyksessä valon nopeus ei ole yhtä suuri kuin \(\vec (c)\), mutta \(\ vec(c)-\vec(\upsilon).\)

Siten havaittiin tiettyjä ristiriitoja sähködynamiikan ja Newtonin mekaniikan välillä, joiden lait ovat yhdenmukaisia suhteellisuusperiaatteen kanssa. Syntyneet vaikeudet voitiin yrittää voittaa kolmella eri tavalla.

Ensimmäinen mahdollisuus oli julistaa kestämättömäksi suhteellisuusperiaate sellaisena kuin sitä sovelletaan sähkömagneettisiin ilmiöihin. Suuri hollantilainen fyysikko, elektroniikkateorian perustaja H. Lorentz tuli tähän näkökulmaan. Faradayn ajoista lähtien sähkömagneettisia ilmiöitä on pidetty prosesseina erityisessä, kaikkialle leviävässä väliaineessa, joka täyttää kaiken tilan - "maailman eetterissä". Inertiavertailu levossa suhteessa eetteriin on Lorentzin mukaan erityinen etuusjärjestelmä. Siinä Maxwellin sähködynamiikan lait ovat voimassa ja niillä on yksinkertaisin muoto. Vain tässä vertailukehyksessä valon nopeus tyhjiössä on sama kaikkiin suuntiin.

Toinen mahdollisuus on pitää Maxwellin yhtälöt itsessään virheellisinä ja yrittää muuttaa niitä siten, että ne eivät muutu siirryttäessä yhdestä inertiajärjestelmästä toiseen (tavanomaisten, klassisten tila- ja aikakäsitysten mukaisesti). Tällaisen yrityksen teki erityisesti G. Hertz. Hertzin mukaan liikkuvat kappaleet kuljettavat eetterin kokonaan pois, ja siksi eetterissä esiintyvät sähkömagneettiset ilmiöt etenevät samalla tavalla riippumatta siitä, onko keho levossa vai liikkeessä. Suhteellisuusperiaate on oikea.

Lopuksi, kolmas mahdollisuus näiden ongelmien ratkaisemiseksi on hylätä klassiset tilan ja ajan käsitteet, jotta sekä suhteellisuusperiaate että Maxwellin yhtälöt säilyisivät. Tämä on vallankumouksellisin polku, koska se tarkoittaa fysiikan syvimpien, perusideoiden tarkistamista. Tästä näkökulmasta katsottuna sähkömagneettisen kentän yhtälöt eivät ole epätarkkoja, vaan Newtonin mekaniikkalait, jotka ovat sopusoinnussa Galileon muunnoksilla ilmaistujen vanhojen ideoiden kanssa tilasta ja ajasta. Mekaniikan lakeja on muutettava, ei Maxwellin sähködynamiikan lakeja.

Kolmas vaihtoehto osoittautui ainoaksi oikeaksi. Kehittäessään sitä johdonmukaisesti, Einstein sai uusia ajatuksia tilasta ja ajasta. Kaksi ensimmäistä tapaa, kuten käy ilmi, kumotaan kokeella.

Suorilla kokeilla kumottiin myös Lorentzin näkemys, jonka mukaan absoluuttisessa levossa olevaan maailmaneetteriin on liityttävä valittu viitekehys.