Электромагнитная картина мира (ЭМКМ). Специальная и общая теории относительности.

Основные экспериментальные законы электромагнетизма. Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к Древней Греции. Например, два куска янтаря («электрон»), потёртые тряпочкой, отталкиваются друг от друга, притягивают мелкие предметы. Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Магнетизм. Свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II-м веке до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в 13 веке. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 году Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: поэтому есть возможность определения направления с помощью компаса.

В 18-м веке было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине 18-го века была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана). Именно Франклин предложил обозначения "+" и "–" для зарядов, он является также изобретателем молниеотвода.

В 1759-м году английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов - е=1,6× Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897-м году Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, которая является носителем элементарного отрицательного заряда - электрон, имеющий массу m e = 9,1× кг. Таким образом, электрический заряд состоит из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число.

Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков. Величина заряда не зависит от его скорости.

Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона(Шарль Огюст Кулон ( )) :, где ε 0 - электрическая постоянная равная 8,85*10-12 к /Н*м2 ; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие).

Исследование взаимодействия зарядов, в 19-м веке привело к появлению понятия поля. Начало этому было положено в работах Майкл Фарадея ( ). Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле.

Открытие Ханса Христиана Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной до конца 19-го века, а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820-м году датский физик Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма.

Важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Георгом Симоном Омом (1826) закон: I=U/R А также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, которое выделяется при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT.

В 1821-м году Майкл Фарадей поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции. ЭДС – электро-движущаяся сила.

Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831-м году он высказывает идею об электромагнитной природе света. Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Джеймс Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865-м году теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

Формирование понятия электромагнитного поля как новой физической реальности. Фарадей недостаточно хорошо владел математическим аппаратом и не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул. Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея. Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» ( ) и «Динамическая теория поля ( ).

Суть теории Максвела: изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Утверждения Максвелла Магнитные заряды не существуют. Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток. Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришёл к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906-м году. П.Н. Лебедевым. Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.

Электронная теория Лоренца. Голландский физик Хендрик Лоренц ( ) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

В 1895-м году Лоренц дает систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1887-м году был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу.

Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях. 1. В металле есть свободные электроны – электроны проводимости, образующие электронный газ. 2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы. 3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля. 4. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.

Специальная теория относительности. Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как время, масса, ускорение, сила остаются неизменными. В то же время координата, скорость, импульс, кинетическая энергия изменяются.

В середине 19-го века были проведены довольно точные опыты по измерению скорости света. Оказалось, что в вакууме скорость света с =3×10 8 м/с. Сразу же возник вопрос: в какой системе отсчета? В результате опытов Майкельсона в 1881-м году было установлено, что скорость света в вакууме во всех системах отсчета независимо от величины и направления скорости их движения оставалась такой же, как и в системе отсчёта, связанной с источником света. Это означало, что классический закон сложения скоростей для света не выполняется. Ведь из механики Галилея-Ньютона следовало, что V=C+V 1.

Принципиально новый подход к вышеупомянутым вопросам предложил Эйнштейн ( ), разработавший в м году новую теорию пространства и времени, получившую название специальной теории относительности (СТО).

Основу СТО составляют два постулата (принципа): Принцип относительности Эйнштейна: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных системах отсчёта (ИСО) протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно.

Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе.

Альберт Эйнштейн видоизменил законы механики Ньютона. В результате возникла релятивистская механика. Согласно релятивистской механике переход от одной инерциальной системы отсчёта к другой должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по преобразованиям Лоренца, из которых, как и из постулатов СТО вытекает ряд следствий.

1. Закон сложения скоростей:, где V 0 – скорость подвижной системы координат К относительно неподвижной системы координат К; V x – скорость материальной точки в системе К; V x – скорость материальной точки относительно системы К; с – скорость света в вакууме.

Если V x и V 0 намного меньше с, то релятивистский закон сложения скоростей переходит в классические преобразования Галилея для скоростей. Если одна из скоростей равна с, то сумма скоростей тоже будет равна с. Более того, при V x = c и V 0 = c имеем:

2. Зависисмость массы от скорости. Другим следствием СТО явилась и зависимость массы тела от его движения. Зависимость массы от скорости была обнаружена в конце 19-го века в опытах с быстрыми электронами. Тогда же была предложена эмпирическая формула для этой зависимости:, где m 0 – масса покоя электрона, а m – его масса при скорости движения V (масса движения).

3. Относительность промежутка времени:, где t 0 – собственное время, т.е. время по часам, движущимся вместе с объектом со скоростью V, t – время по часам в неподвижной системе отсчета. Таким образом, собственное время меньше времени по часам в неподвижной системе отсчета, т.е. физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются (относительно неподвижной системы!).

4. Эквивалентность массы и энергии Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии: Е = mc 2, подтвержденная данными современной физики.

Общая теория относительности (ОТО). В 1916 г. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), над которой работал в течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы отсчёта.

Основные принципы ОТО сводятся к следующему: ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь, то есть там, где гравитация велика, скорость света замедляется; распространение принципа относительности на все движущиеся системы, а не только на инерциальные.

Из ОТО был получен ряд важных выводов: свойства пространства-времени зависят от движущейся материи. луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. ОТО произвела настоящий переворот в космологии. На её основе появились различные модели Вселенной.

Основные понятия и принципы ЭМКМ. ЭМКМ базировалась на следующих идеях: непрерывность материи (континуальность); материальность электромагнитного поля; неразрывность материи и движения; связь пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

Материя и движение. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность (континуальность) в противовес дискретности.

Пространство и время. Из постулатов СТО следует относительность длины, времени и массы, т.е. их зависимость от системы отсчета. Из преобразований Лоренца, следует, что пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир (пространственно-временной континуум) Событие, происходящее с некоторой частицей, характеризуется местом, где оно произошло (т.е. совокупностью значений x, y, z), и временем t, когда оно произошло. («Что? Где? Когда?»).

Взаимодействие. В период становления и развития ЭМКМ физика знала два взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. В рамках этой картины Мира оба эти взаимодействия объяснялись исходя их понятия «поле». Это означало, что и то и другое взаимодействие передается с помощью промежуточной среды, т.е. поля со скоростью, равной скорости света. Таким образом, принцип дальнодействия МКМ был заменен принципом близкодействия.

Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. Нового понимания причинности по сравнению с МКМ не произошло. Главными считались причинно-следственные связи и динамические законы, их выражающие. Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E = mc 2 ). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. В результате два закона сохранения – массы и энергии – были объединены в один общий закон сохранения массы и энергии.

Дальнейшее развитие физики показало, что ЭМКМ имеет ограниченный характер. Главная трудность здесь заключалась в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность многих её свойств – заряда, излучения, действия. Вскоре на смену ЭМКМ пришла новая – квантово-полевая картина Мира, объединившая дискретность МКМ и непрерывность ЭМКМ.