Класична фізика і теорія відносності

Першої фундаментальною фізичною теорією, яка має високий статус і в сучасної фізики, є класична механіка, основи якої заклав І. Ньютон.

Закони механіки, сформульовані Ньютоном, не є прямим наслідком емпіричних фактів. Вони з'явилися як результат узагальнення численних спостережень, дослідів і теоретичних досліджень Галілея, Гюйгенса, Ньютона та інших у широкому світоглядному, культурному контексті.

"Всякое тіло продовжує утримуватися в своєму стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки й оскільки воно не примушується доданими силами змінити цей стан "- так Ньютон сформулював закон, який зараз називається першим законом механіки Ньютона, або законом інерції.

Система відліку, в якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, коли на неї не діють ніякі сили (або діють сили взаємно врівноважені), знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху -- називається інерціальній. Будь-яка система відліку, що рухається по відношенню до неї поступально, рівномірно і прямолінійно, є також інерціальна.

"Зміна кількості руху пропорційно прикладеною двіжуей силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє "- це другий закон Ньютона, який є основним законом динаміки, у формулюванні Ньютона (1687).

"Дії завжди є рівна і протилежна протидія, інакше, взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні і спрямовані в протилежні сторони "- це третій закон механіки Ньютона.

Закони Ньютона справедливі тільки для інерційних систем. Однак жодне реальне тіло не може з ідеальною точністю виконувати функцію такої системи, оскільки в реальності завжди присутні сили, які порушують закон інерції і інші закони механіки. Мабуть, це і призвело Ньютона до поняття абсолютного простору, для якого закон інерції і всі інші закони механіки мали б абсолютну силу.

Ньютон писав: "Абсолютна простір в силу своєї природи, безвідносно до чого-небудь зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим. Відносне простір являє собою деякий рухливе вимірювання або міру абсолютних просторів; його ми визначаємо за допомогою своїх почуттів через взаємне розташування тіл, його вульгарно і тлумачать як нерухоме простір ... "

"Абсолютна істинне або математичний час, - писав Ньютон, - саме по собі і в силу своєї внутрішньої природи тече однаково, безвідносно до чого-небудь зовнішнього й інакше називається тривалістю; відносне, здається або звичайний час є деякого роду чуттєву, або зовнішню (яким би воно не було точним і незрівняним), міру тривалості, яка визначається за допомогою руху, що звичайно використовується замість дійсного часу; це - годинник, день, місяць, рік ... "

У Ньютона абсолютна час існує і триває рівномірно саме по собі, безвідносно до яких-небудь подій. Абсолютна час і абсолютна простір являють собою як би вмістища матеріальних тіл і процесів і не залежать не тільки від цих тіл і процесів, але й один від одного.

Сформулювавши основні закони механіки, Ньютон заклав фундамент фізичної теорії. Однак побудувати на це фундаменті струнке будівля теорії належало його послідовникам. Вирішальну роль для становлення класичної механіки мало використання диференціального і інтегрального обчислень, апарату математичного аналізу.

В Протягом всього 18 століття створюється математичний апарат класичної механіки на базі диференціального і інтегрального обчислень. Розробку аналітичних методів механіки завершив Лагранж, що одержав рівняння руху системи в узагальнених координатах, названі його ім'ям.

З цією діяльністю зі створення математичного апарату механіки пов'язане її становлення як першої фундаментальної наукової теорії.

Важливу роль у створенні наукової картини світу зіграв принцип відносності Галілея -- принцип рівноправності всіх інерційних систем відліку в класичній механіці, який стверджує, що ніякими механічними дослідами, що вживаються в якийсь інерційній системі відліку, не можна визначити, покоїться дана система або рухається рівномірно і прямолінійно. Це положення було вперше встановлено Галілеєм в 1636.

Математично принцип відносності Галілея висловлює інваріантність рівнянь механіки щодо перетворень координат рухомих точок (і часу) при переході від однієї інерціальній системи відліку до іншої - перетворень Галілея.

З ім'ям Ньютона пов'язано відкриття й такого фундаментального фізичного закону, як закон всесвітнього тяжіння.

Перші вислови про тяжіння як загальну властивість тел відносяться до античності. И. Кеплер говорив, що "тягар є взаємне прагнення всіх тіл". Остаточне формулювання закону всесвітнього тяжіння була зроблена Ньютоном в 1687 в його головній праці "Математичні начала натуральної філософії".

Закон тяжіння Ньютона говорить, що два будь-які матеріальні частинки притягуються за напрямку один до одного з силою, прямо пропорційною добутку мас і зворотно пропорційною кварату відстані між ними. Коефіцієнт пропорційності називається гравітаційної постійної.

Спочатку у фізиці утвердилося уявлення про те, що взаємодія тіл має характер дальнодії - миттєвої передачі дії тіл один на одного через порожній простір, яка не бере участі в передачі взаємодії.

Однак концепція дальнодії була визнана що не відповідає дійсності після відкриття і дослідження електромагнітного поля, що виконує роль посередника при взаємодії електрично заряджених тел. Виникла нова концепція взаємодії - концепція блізкодействія, яка потім була поширена і на будь-які інші взаємодії. Відповідно до цієї концепції, взаємодія між тілами здійснюється за допомогою тих чи інших полів (наприклад, тяжіння - за допомогою гравітаційного поля), які безперервно розподілені в просторі.

В науці 19 століття переносником електромагнітних взаємодій вважалася всепроникна середу - ефір.

На уявлення про ефірі у перенесенні електромагнітних взаємодій у минулому столітті спиралася вся електродинаміка та оптика.

Спочатку ефір розуміли як механічну середу, подібну пружному тілу. Відповідно поширення світлових хвиль уподібнювалися поширення звуку в пружною середовищі. Гіпотеза механічного ефіру зустрілася з великими труднощами. Так, поперечності світлових хвиль вимагала від ефіру властивостей абсолютно твердого тіла, але в той же час повністю відсутнє опір ефіру руху небесних тел. Протягом довгого часу покоління математиків і фізиків намагалися внести свій внесок у вирішення проблеми ефіру. У результаті спроб побудувати модель ефіру була, наприклад, ретельно розроблена механіка суцільних середовищ та її апарат, однак адекватну модель ефіру побудувати так і не вдалося. Невирішеним залишалося питання про участь ефіру в русі тел. Ефір наполегливо продовжував залишатися "виродком у середовищі фізичних субстанцій".

Проблема ефіру придбала фундаментальний характер, оскільки це середовище зайняла у фізиці надзвичайно важливе місце. Виявлялося, що фізика покоїться на гнучких підставах. Вони і були переглянуті в процесі створення теорії відносності.

Американський фізик Майкельсон в 1881 році поставив досвід для з'ясування участі ефіру в русі тел.

Ряд явищ (аберація світла, досвід Фізо) приводив до висновку, що ефір нерухомий або частково захоплюється тілами при їх русі. Відповідно до гіпотези нерухомого ефіру, можна спостерігати "ефірний вітер" при русі Землі крізь ефір, і швидкість світла по відношенню до Землі повинна залежати від напрямку світлового променя щодо напрямку її руху в ефірі. Однак цього не було виявлено - досвід Майкельсона дав негативний результат.

Досвід Майкельсона не зіграв вирішальної ролі у створенні теорії відносності. Про це говорив і сам Ейншейн. Він використав результати досвіду Майкельсона для обгрунтування вже створеної теорії.

Результати досвіду Майкельсона, як і інших подібних дослідів, могли бути пояснені і без радикальних змін класичних уявлень про простір і час. Взагалі, результати дослідів допускають різні теоретичні інтерпретації. Глибокі світоглядні зміни у фізиці були викликані не окремими експериментальними результатами, а незадовільний стан справ у електродинаміки, оптики, фізики взагалі.

Всю сукупність результатів у галузі електродинаміки рухомих тіл на початку століття можна було пояснити на базі перетворень Лоренца, які були отримані в 1904 як перетворення, по відношенню до яких рівняння класичної мікроскопічної електродинаміки зберігають свій вигляд.

Лоренц і Пуанкаре інтерпретували ці перетворення як результат стискання тел постійним тиском ефіру, тобто динамічно в рамках класичних уявлень про простір і час.

Ейнштейн інтерпретував перетворення Лоренца кінетичні, тобто як характеризують властивості руху у просторі та часі, тим самим заклавши основи теорії відносності. Він зняв проблему ефіру, скасувавши його, радикально змінив класичні уявлення про простір і час.

Явища, описуються теорією відносності, називаються релятивістськими (від латинського - Відносний) і виявляються при швидкостях, близьких до швидкості світла в вакуумі (ці швидкості теж прийнято називати релятивістськими).

В Відповідно до теорії відносності, існує гранична швидкість передачі будь-яких взаімодейсвій і сигналів з однієї точки простору в іншу - це швидкість світла у вакуумі. Існування граничної швидкості означає необхідність глибокої зміни звичайних просторово-часових уявлень, заснованих на повсякденному досвіді, оскільки веде до таких явищ, як уповільнення часу, релятивістське скорочення розмірів тіл, відносність одночасності.

Теорія тяжіння Ньютона припускає миттєве поширення тяжіння, і вже тому не може бути узгоджена зі спеціальною теорією відносності, яка стверджує, що ніяка взаємодія не може поширюватися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла у вакуумі.

Узагальнення теорії тяжіння на основі спеціальної теорії відносності було зроблено Ейнштейном. Нова теорія була названа їм загальною теорією відносності.

Самою важливою особливістю поля тяжіння, відомої в ньютонівської теорії та Ейнштейном покладеної в основу загальної теорії відносності, є те, що тяжіння абсолютно однаково діє на різні тіла, повідомляючи їм однакові прискорення незалежно від маси, хімічного складу та інших властивостей тел. Так, на поверхні Землі всі тіла падають під впливом її поля тяжіння з однаковим прискоренням - прискоренням вільного падіння. Цей факт був встановлений досвідченим шляхом Галілеєм. Він може бути сформульований як факт рівності інертною маси (яка входить у другий закон Ньютона) і гравітаційної маси (яка входить до закону тяжіння).

В картині світу сучасної фізики фундаментальну роль відіграє принцип еквівалентності, згідно з яким полі тяжіння в невеликій області простору і часу (у якій його можна вважати однорідним і постійним у часу) за своїм прояву тотожне прискореної системі відліку.

Принцип еквівалентності випливає з рівності інертною і гравітаційної мас. У Відповідно до цього принципу загальна теорія відносності трактує тяжіння як викривлення (відмінність геометрії від евклідової) чотиривимірного просторово-часового континууму. У будь-якій кінцевою області простір виявляється викривленим -- неевклідових. Це означає, що в тривимірному просторі геометрія, взагалі кажучи, буде неевклідової, а час в різних точках буде текти по-різному.

Ряд висновків ОТО якісно відрізняються від висновків ньютонівської теорії тяжіння. Найважливіші серед них пов'язані з виникненням чорних дір, сингулярностей простору-часу, існуванням гравітаційних хвиль (гравітаційного випромінювання).

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://nrc.edu.ru/