Мировоззренческий аспект специальной теории относительности

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

Волжский политехнический  институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования  «Волгоградский государственный технический  университет»

(ВПИ (филиал) ВолгГТУ)

 

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ: МИРОВОЗЗРЕНЧЕСКИЙ АСПЕКТ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

по дисциплине «_____________________________________________________»

 

 

Студент_____________________________________________________________

(имя, отчество, фамилия)

Группа________________________

 

 

Оценка    ________________________    

                                          (в баллах)       

Проверил    ________________________      _____________________

     (подпись и  дата подписания)           (инициалы и фамилия)

 

 

Волжский, 2013 г. 

Релятивистская механика - механика тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света в вакууме. Законы релятивистской механики соответствуют  требованиям специальной теории относительности, которая представляет собой физическую теорию пространства и времени для случая пренебрежения  слабых гравитационных полей. Таким  образом, рассматривая разделы релятивистской механики, мы говорим о специальной  теории относительности (СТО). Эта теория связана с пересмотром фундаментальных  представлений и основ классической механики. Она породила споры и  дискуссии, затронувшие не только физиков, но и представителей других наук. К  этой теории было приковано, как и  сегодня, пристальное внимание. Это  относится как к вопросам приоритета, так и к истории се создания.

Как правило, СТО связывают  с именем А. Эйнштейна и лишь в  качестве предшественников упоминают  о Г. Лоренце, Л. Пуанкаре. Но существуют и другие мнения, сводящиеся к тому, что создателями специальной  теории относительности являются Г. Лоренц, А. Пуанкаре и А. Эйнштейн [1]. Обратимся к историческим фактам.

К концу XIX в. в ходе технической революции искусство физического эксперимента было поднято на новый уровень и появилась возможность получать более точные результаты в опытах с целью проверки положений классической механики. Максвелл в 1864 г. нашел основные законы электромагнетизма для инерциальной системы отсчета. Тогда не было известно, что полученная форма этих законов является окончательной. Многие физики считали, что причиной экспериментальных неувязок в области оптики и электромагнетизма может быть ограниченная применимость уравнений Максвелла. В соответствии с этим предлагались различные поправки и дополнения к уравнениям Максвелла, направленные на учет движения среды. Но и они не внесли ясности в понимание накапливающегося фактического материала. В историческом плане особый интерес представляетсобой электродинамика Г. Герца, разработанная им в 1890 г.

В 1851 г. французский физик  Л. Физо (1819- 1896) проводит опыт по определению  скорости света в движущейся воде и получает результат, хорошо согласующийся  с теорией Френеля. Но если теория Френеля справедлива, то появилась  возможность определения «абсолютної  о» движения Земли - движения ее относительно почти неподвижного эфира. (Коэффициент  увлечения эфира Землей, по Френелю, близок к нулю.) Значит, можно ставить  опыты по обнаружению «эфирного  ветра». Идею подобного опыта высказал еще Дж. Максвелл. Суть его сводилась к сравнению времени прохождения светом одного и того же расстояния один раз вдоль движения Земли, а другой раз перпендикулярно этому движению. Точность ус тановки для обнаружения описываемого эффекта должна быть порядка 10‘8. Максвелл такую точность считал недостижимой. 11о уже в 1881 г. молодой американский ученый Альберт Майкельсон (1852-1931), проводя опыты на своем знаменитом интерферометре, получил указанную точность. Однако опыт Майкельсона по обнаружению «эфирного ветра», повторяемый в разное время и с увеличивающейся экспериментальной точностью, неизменно давал отрицательный результат.

Вскоре после открытия электрона, удалось разогнать его  с помощью внешнего поля до скорости, близкой к скорости света. К своему удивлению исследователи обнаружили, что при таком движении элементарной частицы законы ньютоновской механики перестают быть справедливыми. К  этому времени теория Максвелла  получила дальнейшее развитие; в частности  уже было известно понятие энергии  электромагнитного поля. Так как  электрон, обладающий электрическим  зарядом, создает электрическое  поле, а при движении, в соответствии с законом Био - Савара, и магнитное поле, то естественно было предположить, что энергия этих полей может влиять на движение электрона. Этого взгляда придерживались М. Аб-рагам, К. Шварцшильд, Г. Лоренц, А. Зоммерфельд. Наибольший интерес представляет модель М. Абра-гама, в которой электрон рассматривался как электрически заряженный шар. Ученый получил логарифмическую зависимость массы от скорости, причем в пределе скоростей, малых по сравнению со скоростью света, переменная «масса движения» переходила в «массу покоя», соответствующую ньютоновской постоянной массе.

Предположение о том, что  масса может зависеть от скорости, произвело сенсацию среди физиков, считавших массу постоянной и  неуничтожимой и ошибочно связывавших  сохранение массы с сохранением  материи. Ученые-теоретики опасались  разрушения надежного фундамента, основанного  на механических представлениях. Надвигался всеобщий кризис физики как науки.

В период 1902-1906 гг. В. Кауфман  экспериментировал с быстро движущимися  электронами. Он обнаружил, что частицы, несомненно, ведут себя ина-мулой  Абрагама и только что опубликованной релятивистской формулой зависимости  массы от скорости. Прошло несколько  лет прежде чем и другие исследователи в опытах по отклонению катодных лучей подтвердили правильность теории относительности. Безраздельному господству ньютоновской механики пришел конец.

Главной причиной бесплодности всех дорелятивистских работ по электродинамике  была сильная приверженность их авторов (Максвелла, Герца, Ламара и др.) к  гипотезе эфира [2J. Обобщая, можно сказать, что никто из этих ученых не смог полностью изучить суть принципа относительности, чтобы понять всю важность вытекающих из него следствий. В этой связи нельзя не отметить, что еще в 1887 г. выдающийся физик В. Фогг доказал существование преобразований координат в четырехмерном пространстве-времени (являющихся обобщением преобразования Галилея), при котором дифференциальные уравнения, описывающие распространение света в вакууме, сохраняют вид (ковариантны). Речь здесь идет, по существу, о ковариантности всей системы уравнений Максвелла, т.е. о знаменитых преобразованиях Лоренца, сыгравших ключевую роль в создании теории относительности. Однако Фогт не сумел раскрыть физический смысл своих математических построений. Его правильный, в принципе, подход был в то время обойден вниманием. Укажем далее, что верные преобразования Лоренца (полученные на основе гипотезы эфира) впервые были затронуты, пусть несколько путано и неясно, в 1900 г. Лармором в его учебнике «Эфир и материя».

Над этим кругом проблем  работал Лоренц. В начале 90-х гг. XIX в. он на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчета, не в состоянии обнаружить этого движения. Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относительности для электромагнитных процессов, но, к сожалению, не придал ему того большого значения, какое он заслуживал. Также Лоренц не хотел отказываться от понятия абсолютности времени, поэтому свое преобразование рассматривал лишь как метод вычислений.

Дальнейшее развитие электродинамики  движущихся сред сделал французский  математик Анри Пуанкаре (1854-1912). Именно он в 1900 г. на Парижском конгрессе  физиков порицал Лоренца за недооценку им принципа относительности, считая его  со своей стороны общим законом  природы. Отрицательный результат  опыта Майкельсона, по мнению Пуанкаре, как раз и является выражением этого закона. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики, Пуанкаре отмечает, что «законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет» [3].

В докладе 1905 г. Пуанкаре говорил  о специальном принципе относительности  и высказывался против гипотезы эфира. Он же предложил термины «преобразования  Лоренца» и «Лоренцевы группы». В  определенном смысле в этой работе Пуанкаре уже использует типичную четырехмерную  концепцию пространства-времени.

Так, принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических явлений, в начале XX в. был распространен на любые физические процессы. Важно отметить, что, рассматривая влияние принципа относительности на гравитацию, Пуанкаре приходит к выводу, что скорость распространения сил тяготения должна равняться скорости света.

Упомянутые работы, отличительными чертами которых являются ориентированность  на специальный принцип относительности, исследование верных преобразований пространства-времени, имеют всеобщий основополагающий характер. Однако нельзя обойти молчанием и  ряд других важных исследований, прояснивших  отдельные вопросы теории относительности.

Фундаментальные работы Кирхгофа и Больцмана в области электромагнитного излучения, термодинамики и статистической физики подготовили путь к открытию Планком закона излучения «абсолютного черного» тела. Хазенёрль сумел плодотворно применить разработанные ими методы: он рассмотрел ускоренное движение полости, заполненной электромагнитным излучением. При этом движущиеся ускоренно идеально отражающие стенки полости совершают над излучением работу, вследствие чего возникает доплеровское смещение частоты излучения. Количественную меру совершаемой работы даст выведенная в 1900 г. Планком формула, связывающая энергию фотона Е с частотой излучения V, где Е=И\'. Таким образом, Хазенёрль установил соотношение между энергией излучения и его инертностью по отношению к ускорению. В силу того что под массой понималась мера инергности, из этого вытекла связь между энергией и массой, открывался широкий путь для дальнейших исследований.

Механистическо-материалистическое мировоззрение XVII - XVIII вв., по существу, было и философским и естественнонаучным миросозерцанием в одно и то же время: оно удовлетворяло запросы  ученых-естественников, было близко им и понятно. Понятие материи отождествлялось с физическим понятием вещества; понятие детерминизма не отличалось от механического, лапласовского детерминизма; понятие количества ограничивалось магематическим его смыслом, сводимым к уменьшению или увеличению элементов и т.п. Развивавшаяся тогда механистическая картина природы была одновременно и физической и философской картиной мира; это была механистическая картина всей реальности, не исключая и социальную реальность. Метафизический материализм был натуралистичным в том отношении, что опирался на понятия и принципы, взятые из естественных наук, преимущественно из физики и механики.

Революция в науке, начавшаяся на рубеже XIX и XX вв., была глобальной, комплексной  и в этом отношении не была похожа ни на одну из предшествующих революций [4]. Происходившие до середины прошлого столетия естественнонаучные революции  хотя и порождали кризис в отдельных  науках, но не приводили к кризисному состоянию естествознания в целом. Таковы были революции в области  астрономии (гелиоцентрическое учение Н. Коперника, XVI в.), в химии (кислородное  учение Лавуазье, XVIII в.). Не сами по себе названные открытия, а теоретические следствия, логически вытекавшие из них, влекли за собой совершенствование или перестройку общей методологии науки, понятий и принципов мировоззрения.

До начала XX в. большинство  естествоиспытателей верило в непоколебимость  механистичской трактовки причинности, их умами владела механистическая  картина мира. Вселенная представлялась замкнутой системой, все части  которой подчинены единым механическим законам. Отвергалась сама мысль, что мельчайшие частицы вещества могут иметь какие-либо специфические законы движения. Движение не связывалось неразрывно с материей, поскольку его источником считалась внешняя механическая сила. Пространство и время понимались как абсолютно независимые от материального движения понятия. «Изоляция» от материи движения, пространства и времени дополнялась абсолютным разрывом материальной частицы и волны, вещества и поля. Периодический закон химических элементов покоился на признании неизменности атомов и их свойств, на невозможности превращения одних элементов в другие. Самой последней, далее неделимой, неразложимой и бесструктурной частицей считался атом с присущей ему неизменной (не зависящей от скорости) массой.

В конце XIX - первой трети XX в. во всех ведущих отраслях естествознания, и в первую очередь в теоретической  физике, прошла настолько мощная волна  новых революционных открытий, что  делалась очевидной несостоятельность  механистической каргины мира. Начало новейшей революции в физике положили открытия икс-лучей В.К. Рентгеном, явления радиоактивности и радиоактивных элементов A.A. Беккерелем и М. Склодовской-Кюри, открытие электрона Дж. Томсоном, установление светового давления П.Н. Лебедевым, разработка теории квантов М. Планком и А. Эйштейном. Человеческий ум проникал в совершенно новую для него сферу - в микромир. «Неделимый» дотоле атом оказался делимым и сложным по своей структуре. Оказалось, что одни элементы могут самопроизвольно превращаться в другие. Если раньше считалось, что масса тел неизменяема, независима от скорости движения, т.е. абсолютна, то теперь, после обнаружения у электрона особой электромагнитной массы, возрастающей с увеличением скорости его движения, пришлось отбросить еще одну метафизическую «абсолютность» и «неизменяемость».

Открытия П.Н. Лебедева, М. Планка, Г. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна  разрушили метафизическое противопоставление вещества и света. В формуле «атомного  века» Е=тс2 была раскрыта взаимозависимость энергии, массы и скорости тела; оказалось, что энергия, как и масса, - изменчивая характеристика материи, что энергия неразрывно связана с массой.

Теория относительности  показала несостоя тельность механистического разрыва пространства и времени, движения и материи [2]. В результате выявилась несостоятельность старой механистической картины мира. Буквально за несколько лет «потерпели крах» все основные понятия физики, создававшиеся на протяжении последних столетий и казавшиеся несомненными. Перед нами, констатировал А. Пуанкаре, «руины старых принципов физики, всеобщий разгром принципов» [3]. Если раньше, по свидетельству А. Рея, физики были согласны между собой во всем существенном, то теперь налицо «крайние разногласия», и разногласия «не в деталях», а в основных и руководящих идеях. Естествоиспытателям представлялось, что наступило «банкротство» науки.