Классическая фізика й теорія відносності

Классическая фізика й теорія відносності

Первой фундаментальної фізичної теорією, має високий статусу і в сучасної фізиці, є класична механіка, основи якої заклав И.Ньютон.

.

Законы механіки, сформульовані Ньютоном, є прямий наслідок емпіричних фактів. Вони з’явилися як наслідок узагальнення численних спостережень, дослідів і теоретичних досліджень Галілея, Гюйгенса, Ньютона та інших. у широкому світоглядному, культурному контексті.

" Будь-яке тіло продовжує утримуватися у своїй стані спокою чи рівномірного і прямолінійного руху, що і оскільки він не понуждается прикладеними силами змінити цей стан «- так Ньютон сформулював закон, який зараз називається першим законом механіки Ньютона, чи законом інерції.

Система відліку, у якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, коли її у не діють ніякі сили (або сили взаємно врівноважені), перебуває у стані спокою чи рівномірного прямолінійного руху — називається инерциальной. Будь-яка система відліку, рушійна стосовно ній поступально, рівномірно і прямолінійно, є й инерциальная.

" Зміна кількості руху пропорційно доданої движуей силі, і іде за рахунок напрямку тієї прямий, через яку ця сила діє «- це друге закон Ньютона, що є основним законом динаміки, в формулюванні Ньютона (1687).

" Дії є однакову і навпаки протидія, інакше, взаємодії двох тіл друг на друга між собою рівні й направлені на протилежні боку «- це третій закон механіки Ньютона.

Законы Ньютона справедливі лише інерціальних систем. Проте одне реальне тіло неспроможна з ідеальної точністю виконувати функцію такої системи, оскільки насправді завжди є сили, порушують закон інерції та інших законів механіки. Очевидно, те й привело Ньютона до поняття абсолютного простору, котрій закон інерції й інші закони механіки мали б абсолютну силу.

Ньютон писав: «Абсолютна простір через свою природи, безвідносно до чогось навчають зовнішньому, залишається завжди однаковим і нерухомим. Відносне простір є деяке рухливий вимір чи міру абсолютних просторів; його визначаємо з допомогою своїх почуттів через взаємне розташування тіл, його вульгарно і витлумачують як нерухоме простір… »

" Абсолютна справжнє чи математичне час, — писав Ньютон, — саме собі й з своїм внутрішнім природи тече однаково, безвідносно до чогось зовнішньому тож інакше зветься тривалістю; відносне, позірна чи звичайне час є деякого роду чуттєву, чи зовнішню (хоч би яким воно ні було точним і несравнимым), міру тривалості, котру визначаємо з допомогою руху, який зазвичай використовується замість істинного часу; це — годинник, день, місяць, рік… "

У Ньютона абсолютне час є і триває рівномірно саме собою, безвідносно до якихось подій. Абсолютна час і абсолютна простір є хіба що вмістилища матеріальних тіл і процесів і залежать тільки від цих тіл і процесів, а й один від друга.

Сформулировав основні закони механіки, Ньютон заклав фундамент фізичної теорії. Проте побудувати у цьому фундаменті струнке будинок теорії потрібно було його послідовникам. Вирішальну роль становлення класичної механіки мало використання диференціального і інтегрального числень, апарату математичного аналізу.

В протягом всього 18 століття створюється математичний апарат класичної механіки на базі диференціального і інтегрального числень. Розробку аналітичних методів механіки завершив Лагранж, який одержав рівняння руху системи в узагальнених координатах, названі іменем Тараса Шевченка.

С цієї діяльністю зі створення математичного апарату механіки пов’язано її становлення як першої фундаментальній науковій теорії.

Важную роль створенні наукової картини світу зіграв принцип відносності Галілея — принцип рівноправності всіх інерціальних систем відліку у «класичній механіці, який стверджує, що ніякими механічними дослідами, проводящимися в якийсь инерциальной системі відліку, не можна визначити, спочиває дана система чи рухається рівномірно і прямолінійно. Це стан був вперше встановлено Галилеем в 1636.

Математически принцип відносності Галілея висловлює инвариантность рівнянь механіки щодо перетворень координат рухомих точок (і часу) під час переходу від однієї инерциальной системи відліку в іншу — перетворень Галилея.

С ім'ям Ньютона пов’язано відкриття музею та такого фундаментального фізичного закону, як закон всесвітнього тяжіння.

Первые вислови щодо тяжінні як загальним властивості тіл ставляться до античності. И. Кеплер говорив, що «тяжкість є взаємне прагнення всіх тіл ». Остаточна формулювання закону всесвітнього тяжіння було зроблено Ньютоном в 1687 у його головному праці «Математичні початку натуральної філософії «.

Закон тяжіння Ньютона говорить, дві будь-які матеріальні частки притягуються по напрямку друг до друга з силою, прямо пропорційної твору мас і обернено пропорційній кварату відстані з-поміж них. Коефіцієнт пропорційності називається гравітаційної постійної.

Первоначально у фізиці утвердилось уявлення у тому, що взаємодія тіл має інший дальнодействия — миттєвою передачі впливу тіл друг на одного крізь порожній простір, яке бере участі у передачі взаємодії.

Однако концепція дальнодействия було визнано не відповідної дійсності після відкриття і дослідження електромагнітного поля, виконує роль посередника при взаємодії електрично заряджених тіл. Виникла нова концепція взаємодії - концепція близкодействия, які потім була поширена і будь-які інші взаємодії. Відповідно до цю концепцію, взаємодія між тілами здійснюється з допомогою тих чи інших полів (наприклад, тяжіння — у вигляді гравітаційного поля), які безупинно розподілені у просторі.

В науці 19 століття переносником електромагнітних взаємодій вважалася усепроникаюча середовище — ефір.

На уявлення про ефір як переносчике електромагнітних взаємодій у минулому столітті спиралася вся електродинаміка і оптика.

Первоначально ефір розуміли як механічну середу, таку пружному тілу. Відповідно поширення світлових хвиль уподібнювалося поширенню звуку в пружною середовищі. Гіпотеза механічного ефіру зустрівся великими труднощами. Так, поперечность світлових хвиль зажадала від ефіру властивостей абсолютно твердого тіла, але водночас повністю не було опір ефіру руху небесних тіл. Протягом тривалого часу покоління математиків і фізиків намагалися внести свій внесок у розв’язання проблеми ефіру. Через війну спроб побудувати модель ефіру була, наприклад, найретельнішим чином розроблена механіка суцільних середовищ і його апарат, проте адекватну модель ефіру побудувати не вдалося. Невирішеним залишалося запитання про ефіру рухається тіл. Ефір наполегливо продовжував залишатися «виродком серед фізичних субстанцій » .

Проблема ефіру придбала фундаментальний характер, оскільки ця середовище зайняла у фізиці надзвичайно важлива місце. Чинився, що фізика спочиває на хитких підставах. Вони і було переглянуті під час створення теорії відносності.

Американский фізик Майкельсон в 1881 року поставив досвід для з’ясування участі ефіру в русі тел.

.

Ряд явищ (аберація світла, досвід Физо) призводив би до висновку, що ефір нерухомий чи частково захоплюється тілами за її русі. Відповідно до гіпотезі нерухомого ефіру, можна спостерігати «ефірний вітер «під час руху Землі крізь ефір, і швидкість світла стосовно Землі повинна залежати від напрямку світлового променя щодо напрями її руху на ефірі. Однак це не було знайдено — досвід Майкельсона дав негативну результат.

Опыт Майкельсона не зіграв вирішальну роль у створенні теорії відносності. Про це саме сповідував і сам Эйншейн. Він використовував результати досвіду Майкельсона для обгрунтування вже створеної теории.

.

Результаты досвіду Майкельсона, як та інших подібних дослідів, були пояснити і радикальних змін класичних поглядів на просторі і часу. Взагалі, результати дослідів допускають різні теоретичні інтерпретації. Глибокі світоглядні зміни у фізиці були викликані не окремими експериментальними результатами, а неудовлетворительностью стану справ у електродинаміки, оптиці, фізиці взагалі.

Всю сукупність успіхів у області електродинаміки рухомих тіл на початку можна було пояснити з урахуванням перетворень Лоренца, которые були отримані 1904 року як зміни, стосовно яким рівняння класичної мікроскопічної електродинаміки зберігають свій вигляд.

Лоренц і Пуанкаре інтерпретували ці перетворення як наслідок стискання тіл постійним тиском ефіру, тобто. динамічно у межах класичних поглядів на просторі і часу.

Эйнштейн інтерпретував перетворення Лоренца кінетично, тобто. як що характеризують властивості руху на просторі і часу, цим заклавши основи теорії відносності. Він зняв проблему ефіру, скасувавши його, радикально змінив класичні уявлення щодо простору і часу.

Явления, описувані теорією відносності, називаються релятивістськими (від латинського — відносний) і виявляючись у швидкостях, близьких до швидкості світла вакуумі (ці швидкості теж прийнято називати релятивістськими).

В відповідність до теорією відносності, існує гранична швидкість передачі будь-яких взаимодейсвий і сигналів з однієї точки простору до іншої - це швидкість світла у вакуумі. Існування граничною швидкості означає необхідність глибокого зміни звичайних просторово-часових уявлень, заснованих на виключно повсякденному досвіді, оскільки веде до таких явищам, як уповільнення часу, релятивістське скорочення розмірів тіл, відносність одночасності.

Теория тяжіння Ньютона передбачає миттєве поширення тяжіння, вже тому то, можливо узгоджена зі спеціальним теорією відносності, яка каже, чого жодне взаємодія неспроможна поширюватися зі швидкістю, перевищує швидкість світла у вакуумі.

Обобщение теорії тяжіння з урахуванням спеціальної теорії відносності було зроблено Ейнштейном. Нова теорія було названо їм загальної теорією відносності.

Самой важливу особливість поля тяжіння, відомій у ньютоновской теорії та належної Ейнштейном основою загальної теорії відносності, і те, що тяжіння цілком однаково діє різні тіла, повідомляючи їм однакові прискорення незалежно від безлічі, хімічного складу та інших властивостей тіл. Так, лежить на поверхні Землі все тіла падають під впливом її поля тяжіння з прискоренням — прискоренням вільного падіння. Це було встановлено досвідченим шляхом Галилеем. Він то, можливо сформульований фактом рівності інертної маси (яка входить на другий закон Ньютона) і гравітаційної маси (що входить у закон тяжіння).

В картині світу сучасної фізики фундаментальну роль грає принцип еквівалентності, за яким полі тяжіння у невеликий області простору й часу (у його вважатимуться однорідним і під постійним у часу) зі свого прояву тотожний прискореної системі відліку.

Принцип еквівалентності випливає з рівності інертної і гравітаційної мас. У відповідно до цього принципом загальна теорія відносності трактує тяжіння як викривлення (відмінність геометрії від евклідовій) четырехмерного просторово-тимчасового континууму. У будь-якій кінцевої області простір виявляється викривленим — неевклидовым. Це означає, що у тривимірному просторі геометрія, взагалі кажучи, буде неевклідової, а час у різних точках тектиме по-різному.

Ряд висновків ОТО якісно від висновків ньютоновской теорії тяжіння. Найважливіші у тому числі пов’язані з появою чорних дір, сингулярностей простору-часу, існуванням гравітаційних хвиль (гравітаційного излучения).

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.