Теория относительности. Учебное пособие. Розман Г.А. - 80 стр.

UptoLike

Составители: 

Рубрика: 

156
157
ïîìîùüþ íàáëþäåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ ïðîöåññîâ îáíàðóæèòü
àáñîëþòíûé ïîêîé èëè àáñîëþòíîå äâèæåíèå. Íî çà÷åì òàê
âàæíî îáíàðóæèòü ýòè àáñîëþòíûå ñîñòîÿíèÿ? Äåëî â òîì, ÷òî
ñîãëàñíî óòâåðæäåíèÿì Íüþòîíà, íà êîòîðûõ îñíîâûâàåòñÿ
êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà, ïðîñòðàíñòâî ñ÷èòàåòñÿ âìåñòèëèùåì,
ÿùèêîì äëÿ âñåãî ñóùåñòâóþùåãî. È îòíîñèòåëüíî ñòåíîê
ÿùèêà, åãî ãðàíèö äâèæåíèå è ïîêîé èìåþò àáñîëþòíûé
õàðàêòåð. Ñèñòåìà îòñ÷åòà, ñâÿçàííàÿ ñ ÿùèêîì, ÿâëÿåòñÿ
àáñîëþòíîé, îòëè÷àþùåéñÿ îò âñåõ îñòàëüíûõ ÈÑÎ, êîòîðûå
äâèæóòñÿ îòíîñèòåëüíî íåå.
Âðåìÿ ïî Íüþòîíó òàêæå ñóùåñòâóåò ñàìî ïî ñåáå, îíî íå
ñâÿçàíî íè ñ ïðîñòðàíñòâîì, íè ñ ìàòåðèàëüíûìè òåëàìè,
íàõîäÿùèìèñÿ â ýòîì ïðîñòðàíñòâå. Åãî õîä àáñîëþòåí,
ðàâíîìåðåí âî âñåõ ÈÑÎ. Íî ÷åëîâå÷åñêîìó ïîâñåäíåâíîìó îïûòó
äîñòóïíî íàáëþäàòü òîëüêî îòíîñèòåëüíîå äâèæåíèå è ïîêîé
(ïåðåìåùåíèå ïî îòíîøåíèþ ê äðóãèì òåëàì), èçìåðåíèå ëèøü
îòíîñèòåëüíûõ ïðîìåæóòêîâ âðåìåíè, íåïîñðåäñòâåííîé
äëèòåëüíîñòè êàêèõ-ëèáî ÿâëåíèé èëè ïðîöåññîâ.
Îäíàêî, ÷òîáû ïðåäñòàâëåíèÿ Íüþòîíà î ïðîñòðàíñòâå è
âðåìåíè ðàññìàòðèâàëèñü êàê íàó÷íûå (à íå óìîçðèòåëüíûå),
íåîáõîäèìî áûëî íàéòè ýêñïåðèìåíòàëüíîå ïîäòâåðæäåíèå
ñóùåñòâîâàíèÿ àáñîëþòíûõ äâèæåíèé è âðåìåíè. Òàê êàê
ìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû íå ìîãëè áûòü èñïîëüçîâàíû (îá ýòîì
ãîâîðèò ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ãàëèëåÿ), òî ôèçèêè
îáðàòèëèñü ê íàáëþäåíèþ äðóãèõ ÿâëåíèé - ýëåêòðè÷åñêèõ,
ìàãíèòíûõ, ñâåòîâûõ è ò.ä. Íå îñòàíàâëèâàÿñü íà èñòîðèè ýòîãî
âîïðîñà (ñì. ×àñòü 1 äàííîé êíèãè), íà ìíîãî÷èñëåííûå ïîèñêè
àáñîëþòíûõ ýôôåêòîâ, óêàæåì òîëüêî, ÷òî ê êîíöó ÕIÕ â. ôèçèêà
â ýòîì âîïðîñå îêàçàëàñü â òóïèêîâîì ïîëîæåíèè: àáñîëþòíîå
äâèæåíèå è ïîêîé, àáñîëþòíûé õîä âðåìåíè íå îáíàðóæèâàëèñü.
Ïîä ñîìíåíèå ñòàíîâèëîñü ó÷åíèå Íüþòîíà î ñâîéñòâàõ
ïðîñòðàíñòâà, âðåìåíè è äâèæåíèÿ. Íî âåäü ýòè ïðåäñòàâëåíèÿ
ñîñòàâëÿëè ôóíäàìåíò êëàññè÷åñêîé ôèçèêè! Ñëåäîâàòåëüíî, âñÿ
ôèçèêà ïåðåæèâàëà êðèçèñ.
Ðàäèêàëüíîå ðåøåíèå ïðîáëåìû ñäåëàë À. Ýéíøòåéí â 1905 ã.:
íà îñíîâå àíàëèçà íàêîïèâøèõñÿ ôàêòîâ îí ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî
íèêàêèìè îïûòàìè íåëüçÿ îáíàðóæèòü àáñîëþòíîå äâèæåíèå è
ïîêîé, àáñîëþòíûé õîä âðåìåíè, òàê êàê îíè âîîáùå íå
ñóùåñòâóþò.
 îñíîâó ñâîèõ ðàññóæäåíèé, íà áàçå êîòîðûõ âîçíèêëà íîâàÿ
ôèçè÷åñêàÿ òåîðèÿ - ñïåöèàëüíàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè,
À.Ýéíøòåéí ïîëîæèë äâà ïîñòóëàòà, êîòîðûå ñëåäóþò èç
îïûòíûõ ôàêòîâ.
Ïåðâûé ïîñòóëàò: íåëüçÿ îáíàðóæèòü àáñîëþòíîå äâèæåíèå
èëè ïîêîé èíåðöèàëüíîé ñèñòåìû îòñ÷åòà, íàáëþäàÿ âíóòðè íåå
ëþáîå ôèçè÷åñêîå ÿâëåíèå. Äðóãèìè ñëîâàìè, âñå ôèçè÷åñêèå
ïðîöåññû âî âñåõ ÈÑÎ ïðè îäèíàêîâûõ óñëîâèÿõ ïðîòåêàþò
îäèíàêîâî, çàêîíû ïðèðîäû âî âñåõ ÈÑÎ äåéñòâóþò îäèíàêîâî.
Îäíîâðåìåííî À. Ýéíøòåéí ââîäèò â íàóêó ïðåäñòàâëåíèå î
ìàòåðèàëüíîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, â òîì ÷èñëå è ñâåòà.
Äî ýòîãî ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ðàññìàòðèâàëîñü êàê îñîáîå
ñîñòîÿíèå ñïåöèôè÷åñêîé ñðåäû, çàïîëíÿþùåé âñå ìèðîâîå
ïðîñòðàíñòâî è ñ êîòîðîé ìîæíî áûëî áû ñâÿçàòü àáñîëþòíóþ
ÑÎ - ýëåêòðîìàãíèòíîãî ýôèðà. Íî íè â îäíîì îïûòå ýôèð íå
óäàâàëîñü îáíàðóæèòü. Ïðèçíàâàÿ ìàòåðèàëüíîñòü
ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, Ýéíøòåéí îòêàçûâàåòñÿ îò
èñïîëüçîâàíèÿ ýôèðà êàê íîñèòåëÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí.
Âòîðîé ïîñòóëàò óòâåðæäàåò, ÷òî ñêîðîñòü
ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí â âàêóóìå íå çàâèñèò îò ñêîðîñòè
äâèæåíèÿ èñòî÷íèêà âîëí èëè èõ ïðèåìíèêà. Ýòà ñêîðîñòü
îêàçûâàåòñÿ ïðåäåëüíîé äëÿ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè.
Èñõîäÿ èç ýòèõ ïîñòóëàòîâ, Ýéíøòåéí ïîêàçàë, ÷òî â îòëè÷èå
îò êëàññè÷åñêîé ôèçèêè, êîòîðàÿ îñíîâàíà íà ïðèíöèïå
äàëüíîäåéñòâèÿ (áåñêîíå÷íî áûñòðîé ïåðåäà÷è âçàèìîäåéñòâèÿ-
èíôîðìàöèè), íîâàÿ ôèçèêà èñõîäèò èç ïðèíöèïà
áëèçêîäåéñòâèÿ-ïåðåäà÷è âçàèìîäåéñòâèÿ îò òî÷êè ê òî÷êå ñ
êîíå÷íîé ñêîðîñòüþ, ìàêñèìàëüíîé â âàêóóìå.
Èç ïîñòóëàòîâ Ýéíøòåéíà ñëåäîâàëî, ÷òî ðÿä ôèçè÷åñêèõ
âåëè÷èí, êîòîðûå â ìåõàíèêå Íüþòîíà ñ÷èòàëèñü àáñîëþòíûìè
(âî âñåõ ÈÑÎ ýòè âåëè÷èíû èìåëè ñîîòâåòñòâåííî îäíî è òî æå
÷èñëåííîå çíà÷åíèå), íà ñàìîì äåëå ÿâëÿþòñÿ îòíîñèòåëüíûìè,
ò.å. ÷èñëåííîå çíà÷åíèå, íàïðèìåð, äëèíû, äëèòåëüíîñòè, ñèëû è
ò.ä., çàâèñèò îò óñëîâèé èçìåðåíèÿ ýòèõ âåëè÷èí.
ïîìîùüþ íàáëþäåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ ïðîöåññîâ îáíàðóæèòü              íèêàêèìè îïûòàìè íåëüçÿ îáíàðóæèòü àáñîëþòíîå äâèæåíèå è
àáñîëþòíûé ïîêîé èëè àáñîëþòíîå äâèæåíèå. Íî çà÷åì òàê            ïîêîé, àáñîëþòíûé õîä âðåìåíè, òàê êàê îíè âîîáùå íå
âàæíî îáíàðóæèòü ýòè àáñîëþòíûå ñîñòîÿíèÿ? Äåëî â òîì, ÷òî        ñóùåñòâóþò.
ñîãëàñíî óòâåðæäåíèÿì Íüþòîíà, íà êîòîðûõ îñíîâûâàåòñÿ                  Â îñíîâó ñâîèõ ðàññóæäåíèé, íà áàçå êîòîðûõ âîçíèêëà íîâàÿ
êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà, ïðîñòðàíñòâî ñ÷èòàåòñÿ âìåñòèëèùåì,        ôèçè÷åñêàÿ òåîðèÿ - ñïåöèàëüíàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè,
“ÿùèêîì” äëÿ âñåãî ñóùåñòâóþùåãî. È îòíîñèòåëüíî “ñòåíîê”         À.Ýéíøòåéí ïîëîæèë äâà ïîñòóëàòà, êîòîðûå ñëåäóþò èç
ÿùèêà, åãî ãðàíèö äâèæåíèå è ïîêîé èìåþò àáñîëþòíûé               îïûòíûõ ôàêòîâ.
õàðàêòåð. Ñèñòåìà îòñ÷åòà, ñâÿçàííàÿ ñ “ÿùèêîì”, ÿâëÿåòñÿ               Ïåðâûé ïîñòóëàò: íåëüçÿ îáíàðóæèòü àáñîëþòíîå äâèæåíèå
àáñîëþòíîé, îòëè÷àþùåéñÿ îò âñåõ îñòàëüíûõ ÈÑÎ, êîòîðûå           èëè ïîêîé èíåðöèàëüíîé ñèñòåìû îòñ÷åòà, íàáëþäàÿ âíóòðè íåå
äâèæóòñÿ îòíîñèòåëüíî íåå.                                        ëþáîå ôèçè÷åñêîå ÿâëåíèå. Äðóãèìè ñëîâàìè, âñå ôèçè÷åñêèå
     Âðåìÿ ïî Íüþòîíó òàêæå ñóùåñòâóåò ñàìî ïî ñåáå, îíî íå       ïðîöåññû âî âñåõ ÈÑÎ ïðè îäèíàêîâûõ óñëîâèÿõ ïðîòåêàþò
ñâÿçàíî íè ñ ïðîñòðàíñòâîì, íè ñ ìàòåðèàëüíûìè òåëàìè,            îäèíàêîâî, çàêîíû ïðèðîäû âî âñåõ ÈÑÎ äåéñòâóþò îäèíàêîâî.
íàõîäÿùèìèñÿ â ýòîì ïðîñòðàíñòâå. Åãî õîä àáñîëþòåí,              Îäíîâðåìåííî À. Ýéíøòåéí ââîäèò â íàóêó ïðåäñòàâëåíèå î
ðàâíîìåðåí âî âñåõ ÈÑÎ. Íî ÷åëîâå÷åñêîìó ïîâñåäíåâíîìó îïûòó      ìàòåðèàëüíîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, â òîì ÷èñëå è ñâåòà.
äîñòóïíî íàáëþäàòü òîëüêî îòíîñèòåëüíîå äâèæåíèå è ïîêîé          Äî ýòîãî ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ðàññìàòðèâàëîñü êàê îñîáîå
(ïåðåìåùåíèå ïî îòíîøåíèþ ê äðóãèì òåëàì), èçìåðåíèå ëèøü         ñîñòîÿíèå ñïåöèôè÷åñêîé ñðåäû, çàïîëíÿþùåé âñå ìèðîâîå
îòíîñèòåëüíûõ ïðîìåæóòêîâ âðåìåíè, íåïîñðåäñòâåííîé               ïðîñòðàíñòâî è ñ êîòîðîé ìîæíî áûëî áû ñâÿçàòü àáñîëþòíóþ
äëèòåëüíîñòè êàêèõ-ëèáî ÿâëåíèé èëè ïðîöåññîâ.                    ÑÎ - ýëåêòðîìàãíèòíîãî ýôèðà. Íî íè â îäíîì îïûòå ýôèð íå
     Îäíàêî, ÷òîáû ïðåäñòàâëåíèÿ Íüþòîíà î ïðîñòðàíñòâå è         óäàâàëîñü îáíàðóæèòü. Ïðèçíàâàÿ ìàòåðèàëüíîñòü
âðåìåíè ðàññìàòðèâàëèñü êàê íàó÷íûå (à íå óìîçðèòåëüíûå),         ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, Ýéíøòåéí îòêàçûâàåòñÿ îò
íåîáõîäèìî áûëî íàéòè ýêñïåðèìåíòàëüíîå ïîäòâåðæäåíèå             èñïîëüçîâàíèÿ ýôèðà êàê íîñèòåëÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí.
ñóùåñòâîâàíèÿ àáñîëþòíûõ äâèæåíèé è âðåìåíè. Òàê êàê                    Âòîðîé      ïîñòóëàò    óòâåðæäàåò,      ÷òî     ñêîðîñòü
ìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû íå ìîãëè áûòü èñïîëüçîâàíû (îá ýòîì         ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí â âàêóóìå íå çàâèñèò îò ñêîðîñòè
ãîâîðèò ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ãàëèëåÿ), òî ôèçèêè               äâèæåíèÿ èñòî÷íèêà âîëí èëè èõ ïðèåìíèêà. Ýòà ñêîðîñòü
îáðàòèëèñü ê íàáëþäåíèþ äðóãèõ ÿâëåíèé - ýëåêòðè÷åñêèõ,           îêàçûâàåòñÿ ïðåäåëüíîé äëÿ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè.
ìàãíèòíûõ, ñâåòîâûõ è ò.ä. Íå îñòàíàâëèâàÿñü íà èñòîðèè ýòîãî           Èñõîäÿ èç ýòèõ ïîñòóëàòîâ, Ýéíøòåéí ïîêàçàë, ÷òî â îòëè÷èå
âîïðîñà (ñì. ×àñòü 1 äàííîé êíèãè), íà ìíîãî÷èñëåííûå ïîèñêè      îò êëàññè÷åñêîé ôèçèêè, êîòîðàÿ îñíîâàíà íà ïðèíöèïå
àáñîëþòíûõ ýôôåêòîâ, óêàæåì òîëüêî, ÷òî ê êîíöó ÕIÕ â. ôèçèêà     äàëüíîäåéñòâèÿ (áåñêîíå÷íî áûñòðîé ïåðåäà÷è âçàèìîäåéñòâèÿ-
â ýòîì âîïðîñå îêàçàëàñü â òóïèêîâîì ïîëîæåíèè: àáñîëþòíîå        èíôîðìàöèè), íîâàÿ ôèçèêà èñõîäèò èç ïðèíöèïà
äâèæåíèå è ïîêîé, àáñîëþòíûé õîä âðåìåíè íå îáíàðóæèâàëèñü.       áëèçêîäåéñòâèÿ-ïåðåäà÷è âçàèìîäåéñòâèÿ îò òî÷êè ê òî÷êå ñ
Ïîä ñîìíåíèå ñòàíîâèëîñü ó÷åíèå Íüþòîíà î ñâîéñòâàõ               êîíå÷íîé ñêîðîñòüþ, ìàêñèìàëüíîé â âàêóóìå.
ïðîñòðàíñòâà, âðåìåíè è äâèæåíèÿ. Íî âåäü ýòè ïðåäñòàâëåíèÿ             Èç ïîñòóëàòîâ Ýéíøòåéíà ñëåäîâàëî, ÷òî ðÿä ôèçè÷åñêèõ
ñîñòàâëÿëè ôóíäàìåíò êëàññè÷åñêîé ôèçèêè! Ñëåäîâàòåëüíî, âñÿ      âåëè÷èí, êîòîðûå â ìåõàíèêå Íüþòîíà ñ÷èòàëèñü àáñîëþòíûìè
ôèçèêà ïåðåæèâàëà êðèçèñ.                                         (âî âñåõ ÈÑÎ ýòè âåëè÷èíû èìåëè ñîîòâåòñòâåííî îäíî è òî æå
     Ðàäèêàëüíîå ðåøåíèå ïðîáëåìû ñäåëàë À. Ýéíøòåéí â 1905 ã.:   ÷èñëåííîå çíà÷åíèå), íà ñàìîì äåëå ÿâëÿþòñÿ îòíîñèòåëüíûìè,
íà îñíîâå àíàëèçà íàêîïèâøèõñÿ ôàêòîâ îí ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî     ò.å. ÷èñëåííîå çíà÷åíèå, íàïðèìåð, äëèíû, äëèòåëüíîñòè, ñèëû è
                                                                  ò.ä., çàâèñèò îò óñëîâèé èçìåðåíèÿ ýòèõ âåëè÷èí.
156                                                                                                                           157