История фізики: теорія відносності

История фізики: теорія відносності

Горяев М.А.

В кінці 19 — початку 20 століття фізиці було зроблено важливі відкриття, які у значною мірою видозмінили класичну фізику і внесли революційні ідеї розуміння навколишніх фізичних явищ, передусім, на рівнях мікроі мегамира. У цьому все розвиток новітньої фізики, особливо, вчення про будову матерії разюче справді відповідає геніальному пророцтву Ньютона, що він висловив у своїй «Оптиці «: «Крихітні частки матерії можуть зчіплюватися у вигляді найсильніших тяжінь, становлячи великі частки, а більш слабкі; багато може також зчіплюватися і складати ще більші частки з Президентом ще слабшої силою — й дуже у низці послідовностей, поки прогресія не закінчиться найбільшими частинками, від яких залежить хімічні дії і кольору природних тіл; при зчепленні таких частинок складаються тіла помітної величини… Отже, у природі існують агенти, здатні стискати разом частки тіл дуже сильними притяжениями. Обов’язок експериментальної філософії їх розшукати » .

Во другої половини 19 століття з’явилась важко здоланні протиріччя класичній фізиці. Одне пов’язані з досвідом Альберта Майкельсона (1852−1931), коли він встановив, що ефір рухається разом із Землею, що суперечило спостереженням по аберації світла. З іншого боку, рівняння Максвелла неинвариантны щодо перетворень Галілея. У 1904 р. Лоренц знайшов, що це протиріччя знімаються за іншого вигляді перетворень, які дістали назву лоренцовых.

Лоренц Хендрік Антон (18.07.1853−04.02.1928) — нідерландський фізик, член Нідерландській і багатьох інших академій наук і наукових товариств, іноземний член-кореспондент Петербурзької АН (1910), почесний член АН СРСР (1925). Народився Арнемі. Навчався в Лейденському університеті, ступінь доктора (1875). У 1878−1913 — професор Лейденського університету та завідувач кафедри теоретичної фізики. З 1913 — директор фізичного кабінету Тейлеровского музею у Гарлеме.

Работы у сфері електродинаміки, термодинаміки, статистичної механіки, оптики, теорії випромінювання, теорії металів, атомної фізики. Створив класичну електронну теорію як теорію електричних, магнітних і оптичних властивостей речовини і електромагнітних явищ з урахуванням теорії Максвелла-Герца та якісного аналізу руху дискретних електричних зарядів (рівняння Лоренца-Максвелла). Вивів формулу зв’язку діелектричним проникності з щільністю диэлектрика і залежність показника заломлення речовини з його щільності (формула Лоренца-Лоренца), дав вираз для сили, діючої на електричний заряд в електромагнітному полі (сила Лоренца), пояснив залежність електропровідності речовини з його теплопровідності, розвинув теорію дисперсії світла. Передбачив розщеплення спектральних ліній у магнітному полі і після відкриття 1896 цього явища П. Зееманом розробив його теорію (Нобелівську премію, 1902).

Независимо від Дж. Фитцжеральда в 1892 висунув гіпотезу про взаємне скорочення розмірів тіл в напрямі їх руху (скорочення Лоренца-Фитцжеральда), увів у 1895 поняття про місцеве часу. Вивів формули, котрі пов’язують просторові координати і моменти часу однієї й тієї ж події у різних інерціальних системах відліку, отримав залежність маси електрона від швидкості, підготувавши перехід до теорії относительности.

Был організатором і стає головою (1911;27) Сольвеевских конгресів физиков.

Однако застосування перетворень Лоренца було суто формальною рішенням проблеми. У 1904;05 рр. Пуанкаре показав, що організувати неможливо знайти абсолютне рух, з уявлень про ефір і рівнянь Максвелла-Лоренца, й у 1905 р. в роботі «Про динаміку електрона «розвинув математичні слідства постулату относительности.

Пуанкаре Жуль Анрі (29.04.1854−17.07.1912) — французький математик, фізик, астроном і філософ, член Паризької АН (1887), почесний член багатьох академій наук, член-кореспондент Петербурзької АН (1895), медалі Дж. Сильвестера, Н. И. Лобачевского та інших. Народився Нансі. Навчався у Політехнічної школі, закінчив гірську школу (1879). З 1881 працював у Паризькому університеті (з 1886 — завідувач кафедри). У 1883−97 — репетитор, в 1904;08 — професор Політехнічної школи, з 1902 — також завідувач кафедри Вищої школи відомства связи.

Физические роботи ставляться до області теорії відносності, термодинаміки, електрики, оптики, теорії пружності, молекулярної фізики. Незалежно від А. Эйнштейна висловив принцип відносності як загального становища. У математиці великий цикл робіт належить до теорії диференційних рівнянь, Пуанкаре провів важливі дослідження, у теорії трансцендентних функцій, топології. Широко застосував свої математичні результати у «небесній механіки і физике.

Радикально узгодити механіку і электродинамику вдалося лише з приходом в 1905 р. роботи Ейнштейна «До електродинаміку рухомих тіл » .

Эйнштейн Альберт (14.03.1879−18.01.1955) — фізик-теоретик, член багатьох академій наук і наукових товариств, іноземний член АН СРСР (1926), медалі Копли, Франкліна і ін., у його честь названо 99 хімічний елемент — эйнштейний. Народився Ульме в сім'ї підприємця. Закінчив Федеральний технологічний інститут Цюріху (1901), отримав ступінь доктора в Цюріхському університеті (1905). У 1902;08 працював у патентному бюро в Берні, в 1909;12 — професор Цюрихського політехнікуму, в 1911 — професор Німецького університету у Празі, в 1914;33 — професор Берлінського університету та директора Інституту фізики. Після встановлення фашизму Німеччині 1933 переїхав до США, де на все життя працював у Прінстонському інституті перспективних исследований.

Создатель спеціальної і загальної теорій відносності, докорінно змінили уявлення щодо простору, часу й матерії. Ці теорії змусили переглянути основні тези класичної фізики у разі руху з швидкостями, сумірними зі швидкістю світла. Усі стану та висновки спеціальної теорії відносності підтвердилися у численних експериментах. У 1905 відкрив закон взаємозв'язку є і енергії, що лежить у основі розрахунку енергетичного балансу ядерних реакцій, всієї ядерної физики.

Эйнштейн відіграв важливу роль створенні квантової теорії, увів у 1905 уявлення про квантової структурі самого випромінювання, теоретично відкрив фотон, експериментально виявлений А. Комптоном в 1922. З квантових уявлень, пояснив фотоефект, правило Стокса для флуоресценции, фотоионизацию та інші світлові явища, які могла пояснити электромагнитная теорія світла (Нобелівську премію, 1921). У 1907 поширив ідеї квантової теорії до процесів теплових коливань в твердому тілі, пояснивши зменшення теплоємності при зниженні температури і розробивши першу квантову теорію теплоємності твердих тіл. У 1909 розглянув корпускулярно-волновой дуалізм для випромінювання, отримав формулу для флуктуацій енергії рівноважного випромінювання. У 1912 встановив основний закон фотохимии: кожен цілком зайнятий фотон викликає елементарну фотореакцию. Передбачив в 1916;17 явище індукованого випромінювання, ввів ймовірності спонтанного і випромінювання (коефіцієнти Эйнштейна).

В статистичної фізиці розвинув молекулярно-статистическую теорію броунівського руху, в 1924;25 створив квантову статистику часток отримують за цілим спіном (статистика Бозе-Ейнштейна). У 1915 передбачив і із У. де Гаазом експериментально виявив зміна механічного моменту при намагничивании тіла (ефект Эйнштейна-де Гааза).

В 1915 завершив створення спільної теорії відносності чи сучасної релятивістської теорії тяжіння, встановила зв’язок між пространством-временем і матерією. У його основі лежать принципи еквівалентності (ставлення інертної і гравітаційної мас однаково всім тіл) і відносності. Загальна теорія відносності пояснює сутність тяжіння, яке у зміні геометричних властивостей, викривлення четырехмерного простору навколо тіл, які створюють полі тяжіння. Вона експериментально підтвердилася в викривлення світлового променя на полі тяжіння Сонця, зміщення перигелію Меркурія і гравітаційному червоному зміщення. У 1916 постулював гравітаційні хвилі й у 1918 вивів формулу для потужності гравітаційного випромінювання. Починаючи з 1933, Ейнштейн займався питаннями космології і єдиною теорії поля, але побудувати останню не удалось.

Эйнштейн, передусім, звернув увагу до асиметрію рівнянь Максвелла для рухомих тіл і навіть поставив завдання домогтися інваріантості законів і механіки, і електродинаміки переважають у всіх інерціальних системах (принцип відносності). Інший принцип нову теорію — сталість швидкості світла. У релятивістської теорії переглядається таке фундаментальне поняття «як час, і навіть змінюється уявлення силу-силенну, що у певному сенсі стає еквівалентній енергії. Ці становища спеціальної теорії відносності, звісно, були дуже нові, але відразу ж потрапляє отримати додаткові експериментальні підтвердження, зокрема, по релятивистскому зміни маси ряді ядерних явлений.

Вслед для цього Ейнштейном було сформульовано і загальна теорія відносності, в якої затверджувався принцип еквівалентності поля тяжіння і прискореного руху. Основним постулатом теорії знов-таки стала вимога інваріантності законів фізики у різноманітних системах відліку, зокрема і неинерциальных. Ця теорія також отримала експериментальне підтвердження дослідження відхилення світлового променя в гравітаційному полі, і за іншими астрономічних наблюдениях.

Теперь вже теорія відносності вважається частиною класичної фізики, т.к. основним її законам який суперечить, а лише розсуває кордони її застосовності. Крім того, об'єднавши поняття простору й часу, енергії і українськомовні маси, тяжіння і інерції, ця теорія певною мірою втілила основну ідею 19 століття до створенню єдиної картини мира.

Список литературы

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