направления движения Земли, не удалось наблюдать какого-либо различия в его
показаниях (это различие должно было выразиться в смещении
интерференционных полос, наблюдаемых в зрительную трубу), т.е. не удалось
измерить скорость V движения Земли в межпланетном пространстве.
C. Проблема правильной физической интерпретации преобразований Лоренца.
Проблема измерения скорости эфирного ветра в оптических экспериментах
получила новое своё развитие в последней четверти XIX в., когда было
открыто, что свет имеет электромагнитную физическую природу, что оптика
является только частью другой более фундаментальной и более глубокой
физической науки-электродинамики.
Основы электродинамики сформулировал Максвелл в своём знаменитом
“Трактате” в 1873 г., играющем такую же основополагающую роль в
электродинамике, как «Принципы» Ньютона в механике. В этом труде были
сформулированы знаменитые уравнения Максвелла и была высказана гипотеза об
электромагнитной природе света - что свет является электромагнитными
волнами, - которая в 1888 г. была подтверждена Г. Герцем, экспериментально
открывшим электромагнитные волны радио- и СВЧ- диапазона.
В теории Максвелла впервые в истории науки связывались между собой
электрические и магнитные явления с оптическими явлениями. Упругий эфир
Френеля превратился, таким образом, в носителя электромагнитных возмущений
и электромагнитных волн, т.е. стал электромагнитным эфиром, а электрические
и магнитные поля напряжённости и индукции стали рассматриваться как
показатели напряжений и деформаций этого эфира.
Максвелл представлял себе электрические и магнитные поля и
электромагнитные волны механически - как возмущения гипотетической, хотя и
очень своеобразной, но всё же чисто механической сплошной среды, наделённой
особыми механическими свойствами; при этом он считал, что эфир в пустоте и
эфир в веществе имеют различные механические свойства.
Сам Максвелл считал, что его уравнения справедливы только для
покоящегося эфира, возмущениями которого являлись, по его представлениям,
рассматриваемые им электромагнитные поля и волны. Систему отсчёта, в
которой эфир покоится Максвелл связывал с абсолютной системой отсчёта
Ньютона.
Уравнения Максвелла составлены для четырёх векторных функций:
E(x,y,z,t), D(x,y,z,t) - напряжённости и индукции электрического поля,
H(x,y,z,t), B(x,y,z,t) - напряжённости и индукции магнитного поля. Эти
функции характеризуют возмущение неподвижного электромагнитного эфира.
Изменяющиеся со временем электрическое и магнитное поля не могут
существовать по отдельности - они образуют единое электромагнитное поле,
представляющее собой электромагнитные, в частности оптические волны.
Уравнения Максвелла имеют следующий вид:
rot E = -дB / дt , rot H = j + дD / дt , div D = р , div B =
0,
где j=j(x,y,z,t) - объёмная плотность элекрического заряда.
Как видим, уравнения Максвелла предполагают, что координаты x,y,z и
время t описываются в некоторой системе отсчёта, которая, по предположению
Максвелла является системой отсчёта, в которой невозмущённый
электромагнитный эфир покоится.
Попытками распространить уравнения Максвелла на произвольно движущиеся
материальные прозрачные среды, которые как предполагалось в соответствии с
гипотезой Френеля каким-то образом увлекали с собой эфир, занимались многие
крупные физики последней четверти XIX в., но, пожалуй, больше всех Г.А.
Лоренц.
Исследуя выведенные им на основе его электронной теории уравнения
Максвелла для движущейся среды, Лоренц в 1895 г. пришёл к удивительному
результату, что с точностью до членов первого порядка малости по v/c, где v-
скорость движения системы отсчёта, c-скорость движения электромагнитных
волн, эти уравнения Максвелла можно строго математически преобразовать к
виду уравнений Максвелла для неподвижной среды, т.е. он строго доказал, что
уравнения Максвелла «не чувствуют» поступательного движения системы
отсчёта, если только она движется с постоянной скоростью.
Лоренц получил тем самым объяснение отрицательных результатов
проведённых к тому времени экспериментов, показывающих, что с помощью
оптических и электродинамических эффектов первого порядка по v/c,
производимых с земными источниками света, невозможно определить скорость
движения Земли относительно межпланетного пространства Ньютона.
Чтобы объяснить остающийся, однако, необъяснённым отрицательный
результат эксперимента Майкельсона - Морли второго порядка малости по v/c
Лоренц и независимо Фицджеральд выдвинули знаменитую гипотезу о сокращении
всех тел, движущихся в абсолютном пространстве вдоль направления движения в
отношении, зависящем от скорости движения .
Если Lо - длина покоящегося тела, L-длина движущегося тела вдоль
направления движения ,то, согласно этой “гипотезе сокращения”,
[pic][pic]
где b=, v/c v -скорость движения тела.
Чтобы объяснить невозможность определения скорости v тела, равномерно и
прямолинейно движущегося относительно абсолютного пространства в оптических
и электродинамических экспериментах ,не только первого, но и второго, и
более высоких порядков по v/c, Лоренц доказал в своей работе по
электродинамике движущихся сред (1904 г.) строгую математическую теорему,
что уравнения Максвелла в покоящейся и движущейся инерциальных системах
отсчета имеют математически совершенно одинаковый вид ,с точностью до
членов и первого ,и второго, и более высоких порядков по v/c включительно
.Он установил ,что они инвариантны. При этом Лоренц при преобразовании
уравнений Максвелла от одной инерциальной системы отсчета к другой
преобразовывал также и время t, вводя математически совершенно формально
так называемое “локальное время”:
t(=t- [pic]x
где x,t -координата и время в покоящейся системе отсчета.
В результате теоретических исследований Лоренца и проведённого
Майкельсоном и Морли эксперимента естественно возникал электродинамический
принцип относительности ,сформулированный Галлилеем ещё в XVII в.
Правда сам Лоренц этот принцип не провозгласил. Это сделали на основе
его работ и в особенности его работы 1904 г. сначала Пуанкаре ,а немного
позже и независимо Эйнштейн в 1905 г.
Согласно механическому принципу относительности ,проводя различные
механические эксперименты в лаборатории, движущейся с постоянной скоростью
относительно покоящейся абсолютной лаборатории, невозможно измерить ее
скорость движения. (Все механические явления в обеих лабораториях
происходят совершенно одинаково).
Согласно электродинамическому принципу относительности, нельзя
определить скорость движения указанной движущейся лаборатории, производя в
ней также и всевозможные электродинамические, в том числе оптические
эксперименты. (Все электродинамические явления в обеих лабораториях
происходят совершенно одинаково).
Как мы уже сказали, очень четко обобщенный общефизический принцип
относительности, об инерциальных системах отсчета, впервые сформулировал
Пуанкаре в 1904 г. за год до формулировки этого принципа Эйнштейном в 1905
г. и появления основополагающей в специальной теории относительности его
знаменитой работы 1905 г. Пуанкаре ещё с начала 90-х годов XIX в.
интересовался теорией Лоренца и работал над её развитием.
Основные преобразования инвариантности -так называемые преобразования
Лоренца:
[pic]были опубликованы Лоренцем в 1904 г. в упомянутой работе.
Пуанкаре понял, что преобразования, найденные Лоренцем, составляют
группу преобразований инвариантности четырехмерного пространства-времени,
координатными осями которого являются пространственные оси x,y,z и ось
времени t. Он же назвал преобразования, найденные Лоренцем,
”преобразованиями Лоренца”.
В знаменитой работе 1905 г. Эйнштейн сформулировал независимо от
Пуанкаре общефизический принцип относительности для инерциальных систем
отсчёта и, как он сам утверждал и как это часто утверждают другие, дал
физически единственно правильную интерпретацию формулам преобразования
Лоренца.
Эйнштейн заявил. что преставление о времени. которое существовало в
физике со времён Галилея и Ньютона, ошибочно, что его надо исправить, т.е.
строгим формальным образом определить, что такое “время”. Это его
утверждение основывалось на предложенном им в работе 1905 г.
кинематическом, т.е. в отличие от работ Лоренца никак не связаны с
электродинамикой, выводе формул преобразований Лоренца, выведенных, как
Эйнштейн считал, только из правильного, предложенного им в этой работе
понимания понятия времени.
Родившаяся с появлением работы Эйнштейна 1905 г. так называемая
специальная теория относительности оказалась исключительно полезной в
физике микромира и стала широко использоваться в бурно развивавшихся в XX
в. атомной физике, ядерной физике и физике элементарных частиц, т.е. в
микрофизике.
Вообще считается, что в физике XX в. имеется только два главных
фундаментальных теоретических достижения: теория относительности и
квантовая механика.
4.2. Понятия абсолютного и относительного механического движения у
Ньютона
В настоящее время в классической механике и во всех технических науках
без каких-либо особых оговорок широко используется введённое Ньютоном в
“Принципах” в 1687 г. представление об абсолютном движении, т.е. о движении
тела или системы тел в абсолютно пустом пространстве ,т.е. относительно
этого пространства при течении абсолютного времени. Считается ,что природа
состоит из тел, движущихся или покоящихся в пустом пространстве. Само
пространство неподвижно. О его движении говорить просто бессмысленно. Эти
совершенно чёткие представления об абсолютном времени требуют ,однако
,серьёзных физических разъяснений.
Необходимо хорошо понимать, что при непосредственно экспериментальном
исследовании механического движения или состояния покоя тела мы всегда
подразумеваем (неявно, неосознанно) достаточно массивные твёрдые тела,
относительно которых отсчитываем положение частей тела, системы тел ,малого
тела в различные моменты времени ,мы подразуемые и некоторый определённый
конкретный измеритель времени, т.е. часы.
Другими словами, при экспериментальном изучении механического движения
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
