Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Історія теорії відносності



План:


Введення

Передумовою до створення теорії відносності стало розвиток в XIX столітті електродинаміки [1]. Результатом узагальнення і теоретичного осмислення експериментальних фактів і закономірностей в областях електрики і магнетизму стали рівняння Максвелла, що описують еволюцію електромагнітного поля і його взаємодію з зарядами і струмами. В електродинаміці Максвелла швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі не залежить від швидкостей руху як джерела цих хвиль, так і спостерігача, і дорівнює швидкості світла. Таким чином, рівняння Максвелла виявилися неінваріантни щодо перетворень Галілея, що суперечило класичній механіці.


1. Від Галілея до Максвелла

Галілео Галілей

У 1632 році в книзі Діалоги про дві найголовніші системи світу - Птоломеєвої і коперниковой [2] Галілео Галілей навів міркування, що отримали надалі назву принципу відносності :

Поки корабель стоїть нерухомо, спостерігайте старанно, як дрібні літаючі тварини з однієї і тієї ж швидкістю рухаються у всі сторони приміщення; всі падаючі краплі потраплять в підставлений посудину, і вам, кидаючи небудь предмет, не доведеться кидати його з більшою силою в одну сторону, ніж в іншу, якщо відстані будуть одні і ті ж. Примусьте тепер корабель рухатися з будь-якою швидкістю, і тоді (якщо тільки рух буде рівномірним і без качки в ту і іншу сторону) у всіх названих явищах ви не виявите ні найменшої зміни і по жодному з них не зможете встановити, чи рухається корабель чи стоїть нерухомо.

Цей принцип, який стверджує еквівалентність різних інерційних систем відліку, зіграв важливу роль як у класичній механіці, так і в спеціальній теорії відносності. Перетворення, що зв'язують результати спостережень щодо двох інерційних систем відліку, отримали назву перетворення Галілея [3].

Галілей, мабуть, вперше зробив також спробу виміряти швидкість світла за допомогою наземних експериментів. Однак вдалося це зробити тільки Олафу Ремеру в 1676 році. Спостерігаючи зміна періоду обертання супутника Юпітера Іо в залежності від взаємного розташування Землі і Юпітера, Ремер пояснив його кінцівкою швидкості поширення світлового сигналу і зміг оцінити цю швидкість. За його вимірах вона склала 214300 км / сек. Через 50 років, у 1727 році, схожий результат отримав Джеймс Бредлі, спостерігаючи аберацію зірок (зміна їх видимого положення) при русі Землі навколо Сонця.

Джеймс Клерк Максвелл

Паралельно з експериментами по вимірюванню швидкості світла відбувалися роздуми щодо природи світла. Огюстен Френель, грунтуючись на хвильової теорії, в 1818 році успішно пояснив явище дифракції. Джеймс Клерк Максвелл, узагальнюючи експериментальні відкриття Ерстеда, Ампера і Фарадея в 1864 записав систему рівнянь, що описують еволюцію електромагнітного поля. З рівнянь Максвелла випливало, що в порожньому просторі електромагнітні хвилі поширюються зі швидкістю світла. На підставі цього була висунута гіпотеза про хвильову, електромагнітної природу світла.


2. Експерименти

Таким чином, до середини XIX століття хвильова природа світла стала домінуючою концепцією. Так як всі відомі на той час хвильові процеси протікали в тій чи іншій середовищі (вода, повітря), достатньо природної виявилася модель ефіру, деякої субстанції, обурення якій проявляються як електромагнітні хвилі. Рівняння Максвелла при цьому інтерпретувалися як записані щодо системи відліку, пов'язаної з ефіром. Виникло питання про взаємозв'язок рухаються матеріальних тіл і ефіру. Зокрема, захоплюється чи ефір двигающимся крізь нього об'єктами, подібно захопленню повітря в трюмі корабля? Пішла серія експериментів зі з'ясування характеру захоплення ефіру і визначення швидкості Землі відносно цієї субстанції.

Арман Іполит Луї Фізо

У 1851 р. Фізо поставив експеримент по вимірюванню швидкості світла в рухомому середовищі, в якості якої виступав потік води. Його результат з точністю до першого порядку малості по швидкості води v привів до наступного співвідношенню для швидкості світла:

c (v, n) = \ frac {c} {n} + k \, v, ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ k = 1 - \ frac {1} {n ^ 2},

де n - показник заломлення, c - швидкість світла в порожнечі, а c / n - швидкість світла в нерухомій воді. Якщо грунтуватися на класичному правилі складання швидкостей, це співвідношення свідчило про часткове захоплення ефіру з коефіцієнтом k (при k = 1 ефір захоплюється повністю, а при k = 0 - захоплення немає взагалі).

Альберт Абрахам Майкельсон

Серію наступних важливих експериментів у 1881 р. зробив Майкельсон. За допомогою інтерферометра він вимірював час проходження світла в двох перпендикулярних напрямках. Орієнтація інтерферометра змінювалася в просторі, тому при відсутності захоплення ефіру Землею з'являлася можливість по різниці часів визначити абсолютну швидкість руху Землі відносно системи відліку, пов'язаної з ефіром. Експеримент дав негативний результат, зміщення смуг інтерференційної картини не співпало з очікуваним (теоретичним). Це могло свідчити або про повне захоплення ефіру, або про нерухомість Землі. Остання можливість була малоймовірна, так як Земля зі швидкістю 30 км / c рухається, принаймні, навколо Сонця. Залучення ж гіпотези повного захоплення ефіру суперечило спостережуваної річної аберації зірок, яка в цьому випадку відсутня б. В подальшому експерименти Майкельсона неодноразово повторювалися ( Майкельсон і Морлі (1887), Морлі і Міллер (1902-1904), і т. д.). Для зменшення потенційного ефекту захоплення ефіру установка піднімалася в гори, однак виходив результат неспівпадаючі з очікуваним. [4]


3. Створення СТО

Важливий внесок у побудову теоретичних моделей ефіру і його взаємодії з речовиною зробив Хендрік Лоренц. У його моделі ефір являв собою діелектричну субстанцію з одиничною діелектричною проникністю \ Varepsilon = 1 . Видимий електрична індукція \ Mathbf {D} = \ varepsilon \ mathbf {E} складалася з індукції речовини \ Mathbf {D} = (\ varepsilon-1) \ mathbf {E} і ефіру \ Mathbf {D} = \ mathbf {E} . Остання, по теорії Лоренца, не захоплювалася при русі речовини, і Лоренц зміг пояснити експеримент Фізо. Однак експерименти Майкельсона суперечили електронної теорії Лоренца, так як вимагали для свого пояснення повного захоплення ефіру. Лоренц (1892 р.) і, незалежно від нього, Фіцджеральд (1893 р.) ввели достатньо штучне припущення про те, що об'єкти (наприклад, плечі інтерферометра Майкельсона) при русі крізь ефір скорочуються l = l_0 \ sqrt {1-v ^ 2 / c ^ 2} в напрямку руху. Це скорочення дозволяло пояснити негативний результат досвіду Майкельсона і мотивувалося взаємодією частинок речовини з ефіром.

Одночасно з цим йшов пошук перетворень, що залишають рівняння Максвелла інваріантними. У 1887 р. Фойгт записав перетворення координат і часу, які залишали незмінними форму розповсюдження хвиль в ефірі. У його перетвореннях час мало різний темп в різних просторових точках. У 1892 р. Лоренц увів т. н. Місцевий час t '= t-(v / c ^ 2) x і показав, що з точністю до першого порядку по швидкості рівняння Максвелла залишаються незмінними при русі системи відліку крізь ефір. У 1900 р. Лармор в книзі "Ефір і матерія" привів перетворення, щодо яких рівняння Максвелла залишаються інваріантними в будь-якому порядку за швидкістю v . Ці ж перетворення були перевідкриття Лоренцем в його статті 1904 р. Завдяки роботам Пуанкаре ці перетворення в подальшому стали називати перетвореннями Лоренца. Ні Лармор, ні Лоренц не надавали перетворенням характеру загальних просторово-часових закономірностей і пов'язували їх лише з електромагнітними властивостями речовини і ефіру. Сам Лоренц в кінці свого життя писав [5] :

Основна причина, по якій я не зміг запропонувати теорії відносності, полягає в тому, що я дотримувався уявлення, ніби лише змінна t може вважатися істинним часом, а запропоноване мною місцевий час t ' повинно розглядатися тільки в якості допоміжної математичної величини.

Важливу роль у розвитку електронної теорії Лоренца і в формулюванні фізичних ідей, які лягли в основу спеціальної теорії відносності, зіграв Анрі Пуанкаре. Зокрема, йому належить ясне формулювання принципу відносності для електромагнітних явищ. У своїй роботі 1895 р. він писав:

Неможливо виявити абсолютний рух матерії, або, точніше, відносне рух вагомою матерії і ефіру.

У 1898 р. у статті "Вимір часу" Пуанкаре висунув гіпотезу сталості швидкості світла і звернув увагу на умовний характер поняття одночасності двох подій. У книзі "Наука і гіпотеза" (1902 р.) Пуанкаре пише:

Не існує абсолютного часу. Твердження, що два проміжку часу рівні, саме по собі не має сенсу і можна застосовувати його тільки умовно.

Під впливом робіт Пуанкаре Лоренц в 1904 році запропонував новий варіант своєї теорії. У ній він припустив, що при великих швидкостях механіка Ньютона потребує поправок. Анрі Пуанкаре далеко розвинув ці ідеї в статті "Про динаміці електрона", короткий анонс якої був опублікований в повідомленнях французької академії в червні 1905 р. У цій статті був сформульований загальний принцип відносності, спільний з перетвореннями Лоренца. Пуанкаре встановив груповий характер перетворень Лоренца і знайшов вираження для чотиривимірного інтервалу як інваріанта цих перетворень. У цій же роботі він запропонував релятивістське узагальнення теорії гравітації, в якій тяжіння поширювалося в ефірі зі швидкістю світла. Незважаючи на те, що фактично Пуанкаре сформулював основні постулати СТО, його роботи були написані в дусі ефірної теорії Лоренца:

Результати, отримані мною, узгоджуються у всіх найбільш важливих пунктах з тими, які отримав Лоренц. Я прагнув тільки доповнити й видозмінити їх у деяких деталях.

У вересні 1905 р. Альберт Ейнштейн публікує свою знамениту роботу "До електродинаміки рухомих тіл" [6]. Незважаючи на "електродинамічні" назву, робота Ейнштейна істотно відрізнялася за своїм характером від робіт Пуанкаре і Лоренца. Вона була проста в математичному плані і містила перегляд фізичних уявлень про простір і час. У її першому розділі Ейнштейн розглядає процедуру синхронізації двох годин і пише:

Подальші міркування спираються на принцип відносності і на принцип сталості швидкості світла. Ми визначаємо обидва принципи таким чином:

1. Закони, за якими змінюються стану фізичних систем, не залежать від того, до якої з двох координатних систем, що знаходяться відносно один одного в рівномірному поступальному русі, ці зміни стану відносяться.

2. Кожен промінь світла рухається в спочиваючої системі координат з певною швидкістю V незалежно від того, випускається чи цей промінь світла почилих або рухомим тілом.

На основі цих постулатів Ейнштейн досить просто отримав перетворення Лоренца. Подібний аксіоматичний підхід, спільність і наочний фізичний аналіз вимірювальних процедур відразу привернув широку увагу. Саме ця робота фактично знаменувала собою створення спеціальної теорії відносності.


4. Подальший розвиток

Частина вчених одразу визнала СТО: Макс Планк (1906) і сам Ейнштейн (1907) побудували релятивістську динаміку та термодинаміку. Герман Мінковський в 1907 році представив математичну модель кінематики СТО, в якій перетворення Лоренца випливають з геометрії чотиривимірного псевдоевклидова простору. В просторі Маньківського лоренцева перетворення є перетвореннями поворотів координатних осей.

Були, проте, й критики нових концепцій. Вони вказували на те, що теорія відносності не пророкує нових фактів, які можна перевірити експериментально, і нічим не краще теорії Лоренца. З'явилися спроби знайти в СТО внутрішні протиріччя. Концепцію ефіру продовжували підтримувати Дж. Дж. Томсон, Ленард, Лодж і інші відомі фізики. Сам Лоренц припинив критику СТО тільки до кінця життя.


5. Роботи по аксіоматиці СТО

У 1910 році на зборах німецьких натуралістів і лікарів російський вчений Володимир Ігнатовський зробив доповідь "Деякі загальні зауваження до принципу відносності" [7] :

Зараз я ставлю перед собою питання про те, до яких взаємозв'язкам або, точніше, рівнянням перетворення, можна прийти, якщо поставити на чільне дослідження тільки принцип відносності.

Ігнатовський показував, що виходячи з лінійності перетворень, принципу відносності і ізотропності простору, можна вивести перетворення Лоренца. У цьому висновку другий постулат Ейнштейна про інваріантність швидкості світла не використовувався.

У наступному 1911 році в Annalen der Physik виходить робота Філіпа Франка і Германа Роте: "Про перетворення просторово-часових координат з нерухомих систем в рухомі" [8], в якій підхід Ігнатовського отримав суттєвий розвиток. Грунтуючись на груповому аналізі, Франк і Роте в класі лінійних функцій знайшли найбільш загальні перетворення між інерційних системами відліку. Вони виявилися залежними від двох фундаментальних констант, що мають розмірність швидкості. Додавання аксіоми ізотропності простору переводить ці перетворення в перетворення Лоренца, а аксіома абсолютність часу - в перетворення Галілея. Франк і Роте також, мабуть, першими, відзначили, що найбільш загальними перетвореннями між двома інерційних системами відліку є дробно-лінійні функції.

Незважаючи на фундаментальну важливість цих робіт для запитань підстави фізики, вони залишилися практично непоміченими. Більшість навчальної літератури аж до теперішнього часу грунтується на аксіоматичній підході Ейнштейна. Серед нечисленних згадок робіт Ігнатовського, Франка і Роте можна відзначити підручник Вольфганга Паулі "Теорії відносності". Однак, у зв'язку з цими роботами він пише [9] :

З теоретико-групових міркувань можна отримати лише зовнішній вигляд формул перетворення, але не їх фізичний зміст.

При цьому мається на увазі, що виникає в перетвореннях Лоренца фундаментальна константа швидкості, не може бути, без залучення додаткових гіпотез, інтерпретована як швидкість світла.

Зауважимо, що ідея про те, що для обгрунтування СТО не потрібно Другий постулат Ейнштейна, неодноразово перевідкриваються [10] [11] [12] [13] [14], однак, зазвичай без згадки основоположних робіт 1910-1911 року. Загальний огляд робіт по аксіоматизації СТО (в рамках хроногеометріі) може бути знайдений в роботі Гуца [15] в Успіхи математичних наук.


6. Створення загальної теорії відносності

Джерела

  1. Гінзбург В. Л. Як і хто створив теорію відносності? в Ейнштейнівської збірник, 1966. - М .: Наука, 1966. - С. 363. - 375 с. - 16000 екз.
  2. Галілео Галілей Діалог про дві найголовніші системи світу - Птоломеєвої і коперниковой. - М ., 1948.
  3. Зауважимо, що ця назва з'явилася вже в XX столітті см. Паулі В. Теорія Відносності. - М .: Наука, Видання 3-тє, виправлене. - С. 27. - 328 с. - 17700 екз. - ISBN 5-02-014346-4
  4. Винятком з'явилися експерименти Міллера на горі Маунт Вільсон. Вони свідчили про ефірний вітрі, мають швидкість близько 10 км / c перпендикулярно до площини орбіти Землі, і його відсутності вздовж траєкторії руху Землі навколо Сонця. Надалі повторення експериментів іншими дослідниками на більш точної апаратурі з використанням сучасних джерел когерентних хвиль (мазерів) ефекту не виявили. Див Повторення досвіду Майкельсона
  5. Пайс А. Наукова діяльність та життя Альберта Ейнштейна. М.: Наука, 1989, стор 161.
  6. До електродинаміки рухомих тіл: в кн. Ейнштейн А. Збори наукових праць. - М .: Наука, 1965. - Т. 1. - С. 7-35. - 700 с. - 32000 екз.
  7. von W. v. Ignatowsky, "Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativittsprinzip", Verh. d. Deutsch. Phys. Ges. 12, 788-96, 1910 (російський переклад)
  8. von Philipp Frank und Hermann Rothe "ber die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme", Ann. der Physik, Ser. 4, Vol. 34, No. 5, 1911, pp. 825-855 (російський переклад)
  9. Паулі В. Теорія Відносності. - М .: Наука, Видання 3-тє, виправлене. - С. 27. - 328 с. - 17700 екз. - ISBN 5-02-014346-4
  10. Терлецький Я. П. - Парадокси теорії відносності, М.: Наука (1965)
  11. Mermin ND - "Relativity without light", Am.J.Phys., Vol. 52, No. 2 (1984) p. 119-124. Російський переклад: Мерміна Н. Д. - "Теорія відносності без постулату про сталість швидкості світла", Фізика за кордоном. Серія Б. (1986)
  12. Lee AR Kalotas TM - "Lorentz transformations from the first postulate", Am.J.Phys., Vol. 43, No. 5, (1975) p. 434-437.
  13. Achin Sen "How Galileo could have derived the special theory of relativity" Am.J.Phys., Vol. 62, No. 2 (1994) p. 157-162.
  14. Nishikawa S. - "Lorentz transformation without the direct use of Einstein's postulates" Nuovo Cimento, Vol. 112B, No. 8 (1997) p. 1175-1187.
  15. А. К. Гуц, "Аксіоматична теорія відносності", УМН, 37:2 (224) (1982), с. 39-79.
Основні розділи
Геометрична оптика Фізична оптика Хвильова оптика Квантова оптика Нелінійна оптика Теорія випускання світла Теорія взаємодії світла з речовиною Спектроскопія Лазерна оптика Фотометрія Фізіологічна оптика Оптоелектроніка Оптичні прилади
Суміжні напрямки Акустооптика Крісталлооптіка
Загальна (фізична) акустика Геометрична акустика Психоакустика Біоакустики Електроакустика Гідроакустика Ультразвукова акустика Квантова акустика (акустоелектроніка) Акустична фонетика (Акустика мови)
Прикладна акустика Архітектурна акустика ( Будівельна акустика) Аероакустіка Музична акустика Акустика транспорту Медична акустика Цифрова акустика
Суміжні напрямки Акустооптика
Класична радіофізика Квантова радіофізика Статистична радіофізика
Теорія атома Атомна спектроскопія Рентгеноспектральний аналіз Радіоспектроскопія Фізика атомних зіткнень
Прикладна фізика
Термодинаміка газів Термодинаміка розчинів
Фізика плазми Фізика атмосфери Лазерна фізика Фізика прискорювачів
Пов'язані науки Агрофізика Фізична хімія Математична фізика Космологія Астрофізика Геофізика Біофізика Метрологія Матеріалознавство
Див також Кібернетика Синергетика Нелінійна динаміка
Портал "Фізика"


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Пророцтва загальної теорії відносності
Золотий вік теорії відносності
Математичне формулювання загальної теорії відносності
Завдання Кеплера у загальній теорії відносності
Міжнародне товариство загальної теорії відносності і гравітації
Список фундаментальних книг і робіт по загальній теорії відносності
Теорія відносності
Теорія відносності
Принцип відносності
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru