3.5.7 Развитие представлений о пространстве и времени

Во второй половине XIX в. физики все чаще анализируют фундаментальные основания классической механики. Прежде всего, это касается понятий пространства и времени, их ньютоновской трактовки.

Рядом физиков вместо понятия абсолютной системы отсчета вводится более общее понятие инерциальной системы отсчета (координат). Инерциальные системы - это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга. Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея.

Y

Y¹

v

P

O¹

XX¹

О

Рис. 1. Преобразования Галилея

Если система отсчета X¹0¹Y¹ (рис. 1) движется прямолинейно и равномерно со скоростью v относительно системы отсчета XOY в течении времени t, то 00¹ = vt,

а координаты точки Р этих системах отсчета связаны между собой следующими соотношениями: X¹=X-vt, Y¹ =Y, t¹ =t.

Преобразования Галилея в течение столетий считались само собой разумеющимися и не нуждающимися в обосновании. Но время показало, что это не так.

3.5.8 Великие открытия конца XIX начала XX века, которые привели к новой научной революции.

Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые привели к научной революции на рубеже XIX—XX вв.

В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Были выяснены необычные свойства этих лучей (способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т.д.), но их природа оставалась неясной.

Открытие Томсоном первой элементарной частицы электрона и определение его заряда и массы.

В 1896 г. Антуан Анри Беккерель открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли.

К великим открытиям второй половины XIX в. следует также отнести создание Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом же ряду обнаружение того, что отношение заряда электрона к его массе не является посто­янной величиной, а зависит от скорости электрона.

В таких условиях в физике складывается атмосфера разочарования в возможностях научного познания истины, начинается «брожение умов», распространяются идеи релятивизма и агностицизма. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX—ХХ вв. А. Пуанкаре назвал кризисом физики.

Тема 4. Современная физическая картина мира. Научная революция в физике начала XX в.: возникновение релятивистской и квантовой физики.

4.1 Фундаментальные противоречия в основаниях классической механики

Создание теории электромагнитного поля поставили перед физиками задачу выяснить, распространяется ли принцип относительности движения Галилея (во всех инерциальных системах, т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу, применимы одни и те же законы механики), справедливый для механических явлений, на электромагнитное поле?

y

Y¹

C

v

х¹

х

о

Рисунок 2.

Допустим система X'Y'0' (рис. 2) с источником света (скорость света с) движется со скоростью V по отношению к неподвижной системе XYO. Тогда в соответствии с принципом относительности:

• для наблюдателя в системе X'Y'0' скорость света будет одинакова и равна с;

• для наблюдателя в системе XYO скорость света будет различной и равна V¹ = с ± V.

Вместе с тем ряд опытов, которые были поставлены еще в XIX в., показал, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо от того, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того, как он движется

Такой эксперимент в 1887 г. был проведен А. Майкельсоном. Он сравнил время прохождения светом опреде­ленного расстояния S туда и обратно — первый раз вдоль движения Земли, а второй раз, в направлении, перпендикулярном этому движе­нию. Результаты этого эксперимента достоверно свидетельствовали, что на скорость света не влияет движение Земли.

Для того чтобы объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона, Г.А. Лоренц высказали в 1892 г. оригинальную гипотезу, соглас­но которой размеры каждого движущегося в эфире тела уменьшаются в направлении движения относительно эфира в 1/(1 - v²/с²)^1/2 раз. Эта гипотеза чисто формально объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона, не давая никаких разумных теоретических объяснений причин изменения размеров тел, и вместо преобразований Галилея ввел новую формальную систему преобразований, которая получила название «преобразования Лоренца»:

; ;

З аметим, что при скоростях системы, существенно меньших скорости света (т.е. v << с), отношение v² /с² —> 0 и тогда преобразования Лоренца превращаются в классические преобразования Галилея.

Таким образом, к рубежу XIX—XX вв. развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных положений классической механики:

1) скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света;

2) в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы (принцип относительности);

3) координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея.

Было ясно, что эти три положения не могут быть объединены, поскольку они несовместимы.