Биография Галилео Галилея
Галилео Галилей (15.II 1564 — 8.I 1642) — выдающийся итальянский физик и астроном, один из основателей точного естествознания, член Академии деи Линчеи (1611). Родился в Пизе. В 1581 поступил в Пизанский университет, где изучал медицину. Но, увлекшись геометрией и механикой, в частности сочинениями Архимеда и Евклида, оставил университет с его схоластическими лекциями и вернулся во Флоренцию, где четыре года самостоятельно изучал математику. С 1589 — профессор Пизанского университета, в 1592 — 1610 — Падуанского, в дальнейшем — придворный философ герцога Козимо II Медичи.
Оказал значительное влияние на развитие научной мысли. Именно от него берет
начало физика как наука. Галилею человечество обязано двумя принципами
механики, сыгравшими большую роль в развитии не только механики, но и всей
физики. Это известный галилеевский принцип относительности для прямолинейного
и равномерного движения и принцип постоянства ускорения силы тяжести.
Галилей установил закон инерции (1609), законы свободного падения, движения
тела по наклонной плоскости (1604 — 09) и тела, брошенного под углом к
горизонту, открыл закон сложения движений и закон постоянного периода
колебаний маятника (явление изохронизма колебаний, 1583). От Галилея ведет
свое начало динамика.
В июле 1609 Галилей построил свою первую подзорную трубу — оптическую систему, состоящую из выпуклой и вогнутой линз, — и начал систематические астрономические наблюдения. Это было второе рождение подзорной трубы, которая после почти 20-летней неизвестности стала мощным инструментом научного познания. Поэтому Галилея можно считать изобретателем первого телескопа. Он достаточно быстро усовершенствовал свою подзорную трубу и, как писал со временем, «построил себе прибор в такой степени чудесный, что с его помощью предметы казались почти в тысячу раз больше и более чем в тридцать раз ближе, чем при наблюдении простым глазом». В трактате «Звездный вестник», вышедшем в Венеции 12 марта 1610 он описал открытия, сделанные с помощью телескопа: обнаружение гор на Луне, четырех спутников у Юпитера, доказательство, что Млечный Путь состоит из множества звезд.
Создание телескопа и астрономические открытия принесли Галилею широкую
популярность. Вскоре он открывает фазы у Венеры, пятна на Солнце и т.
Астрономические открытия Галилея сыграли огромную роль в развитии научного
мировоззрения, они со всей очевидностью убеждали в правильности учения
Коперника, ошибочности системы Аристотеля и Птолемея, способствовали победе и
утверждению гелиоцентрической системы мира. В 1632 вышел известный «Диалог о
двух главнейших системах мира», в котором Галилей отстаивал гелиоцентрическую
систему Коперника. Выход книги разъярил церковников, инквизиция обвинила
Галилея в ереси и, устроив процесс, заставила публично отказаться от
коперниковского учения, а на «Диалог» наложида запрет.
Галилей изобрел термоскоп, являющийся прообразом термометра, сконструировал (1586) гидростатические весы для определения удельного веса твердых тел, определил удельный вес воздуха. Выдвинул идею применения маятника в часах. Физические исследования посвящены также гидростатике, прочности материалов и т.п.
Использованная литература.
1. Ю.А. Храмов. «Физики». Биографический справочник., 1983.
Галилео Галилей (1564-1642) — презентация онлайн
Галилео Галилей (1564-1642)Галилей
заложил
фундамент
экспериментальноматематического
естествознания,
соединив
физику
как
науку
о
движении
реальных
тел
с
математикой как наукой
об идеальных объектах.

1
2. Метод Галилея
Научный экспериментРассуждения об идеализированных
объектах и событиях
Математизация.
«Книга
природы»
написана на языке математики, а потому
в математике единственно надежный
системы физики.
«Измеряй
все
доступное
измерению,
и
недоступное
измерению делай доступным»
3. Механистическая картина мира
Аристотельвсякое
движение
предполагает двигатель
2 — любое тело оказывает
сопротивление
движению,
это сопротивление должно
быть преодолено, чтобы
началось
движение,
и
постоянно преодолеваемо,
чтобы
движение
продолжалось
(сопротивление есть причина
последовательности
в
движении).
1
Галилей
1. Если на движущееся тело не
действует силы трения, то
его
движение
горизонтальной
плоскости
будет вечным.

естественное
состояние
тел.
4. Вклад в становление классической физики
Принцип инерции – если надвижущееся тело не действуют
силы трения, то его движение по
горизонтальной плоскости будет
вечным, оно не может быть
уменьшено,
а
тем
более
уничтожено
5. Инерциальные системы
Подинерциальными
системами
отсчета понимают две (или более)
системы, которые находятся друг
относительно друга в состоянии
либо покоя, либо равномерного
движения.
Новое понимание движения
Движение
собственное
и
основное, естественное состояние
тел
Принцип
относительности
движения . (Всякое механическое
явление при одних и тех же
начальных
условиях
протекает
одинаково в любой инерциальной
системе отсчёта.)
Формулировка
закона свободного
падения тел.
1.Приведенное однажды
в
движение
тело
продолжает
двигаться,
пока это движение не
задержится какими-либо
встречными телами.

2.Каждая
частица
материи в отдельности
стремится
продолжить
движение не по кривой, а
исключительно
по
3. Декартова система
координат
Р. Декарт (1596-1650)
7
Ньютон (1642-1727)
На фундаменте, заложенном
трудами Коперника,
Кеплера, Галилея, Декарта,
построил здание
классической физики.
Сформулировал
I
закон
механики , в котором
объединил идеи Галилея и
Декарта.
«Математические
начала
натуральной философии» –
книга, вошедшая в золотой
фонд науки.
8
9. Аксиомы или законы движения Закон I (закон инерции)
Всякое тело продолжает удерживаться всвоем состоянии покоя или равномерного и
прямолинейного движения, пока и поскольку
оно не понуждается приложенными силами
изменить это состояние.
(Существуют
такие
системы
отсчета,
которых материальные точки, когда на них не
действуют никакие силы (или действуют силы
взаимно уравновешенные), находятся в
состоянии
покоя
или
равномерного
прямолинейного движения).

10. Закон II (закон ускорения)
Изменениеколичества
движения
пропорционально
приложенной
движущей силе и происходит по
направлению той прямой, по которой
эта
сила
действует.
(Ускорение
движущегося
тела
прямо
пропорционально действующей на него
силе, обратно пропорционально массе
действующей силой.
11. Закон III
Действию всегда есть равное ипротивоположное
противодействие,
иначе взаимодействия двух тел друг на
друга между собой равны и направлены
в противоположные стороны.
12. Закон всемирного тяготения
Две любые материальные частицыс массами m1 и m2 притягиваются
по направлению к друг другу с
силой F, прямо пропорциональной
произведению масс и обратно
пропорциональной
квадрату
расстояния r между ними.
13. Научная картина мира
НКМ – множество теорий в совокупностиописывающих известный человеку природный
мир, целостная система представлений об
общих принципах и законах устройства
мироздания, особая форма теоретического
знания,
репрезентирующая
предмет
исследования
науки
соответственно
определенному этапу её исторического
развития, посредством которой интегрируются
и систематизируются конкретные знания,
полученные в различных областях научного
поиска
14.

важнейших понятий, законов, принципов,
лежащих в основе понимания окружающей
нас природы.
— научная картина мира функционирует как
особая
исследовательская
программа,
которая
направляет
постановку
задач
эмпирического и теоретического поиска и
осуществляет выбор средств их решения.
15. КМ в истории естествознания
НАТУРФИЛОСОФСКАЯМЕХАНИСТИЧЕСКАЯ
КВАНТОВО-РЕЛЯТИВИСТСКАЯ
ЭВОЛЮЦИОННАЯ
16. Физическая картина мира
Физическая картина мира – это физическая модельприроды, включающая в себя фундаментальные
физические и философские идеи, физические
теории, наиболее общие понятия, принципы и
методы познания, соответствующие определенному
этапу развития физики. Физическая картина мира
обобщает все ранее полученные знания о природе, а
также вводит в физику новые философские идеи и
обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы,
которых до этого не было и которые коренным
образом меняют основы физического теоретического
знания.

17. В развитии физического знания выделяют
— Механистическую— Электромагнитную
— Квантово-релятивистскую
картины мира
Ньютоновская механика:
Движение – как вечное и естественное состояние
тел
Абсолютизация механического движения.
Вещественное понимание материи. Масса тела не
зависит от того, движется или покоится тело.
Пространство однородно, размеры тел во всех
системах отсчёта одинаковы, время во всех
инерциальных
системах
отсчёта
течёт
одинаково.
Полная энергия замкнутой системы величина
постоянная.
18
19. Выводы
Механистическаякартина
мира
базируется на корпускулярной теории
строения
материи,
принципе
дальнодействия, представлении об
абсолютном
пространстве
и
абсолютном
времени,
жестком
(лапласовском) детерминизме.
20. Выводы
В основе механической картины мира лежаттакие философские принципы, как принцип
материального единства мира, принцип
причинности
и
законосообразности
природных процессов.

Развитие
экспериментального
естествознания приводит к появлению
принципа экспериментального обоснования
знания,
отказу
от
созерцательности,
установке
на
соединение
экспериментального исследования природы с
описанием ее законов на языке математики.
21. Теория электромагнитного поля и кризис МКМ
Открытия, сделанные в XIX веке,подвергли сомнению возможности
законов
механики
Ньютона
в
качестве универсальных законов
природы.
Такими открытиями в физике стала
теория
электромагнитного
поля
М. Фарадея и Дж. Максвелла, успехи
электродинамики (законы Ампера, Ома).
Эксперименты
Ампера
демонстрировали
два
взаимодополняющих факта о природе
электричества и магнетизма: во-первых,
любой электрический ток порождает
магнитное поле; во-вторых, магнитные
поля оказывают силовое воздействие на
движущиеся электрические заряды.

22
Разрушение идеалов и норм
классической
науки
(механической картины мира)
началось
с
исследования
Фарадеем
явлений
электричества и магнетизма.
Майкл Фарадей (1791–1867)
показал в серии блестящих
экспериментов,
что
взаимодействие
между
движущимися
электрически
заряженными
телами
осуществляется
посредством
электромагнитного поля.
23
Джеймс
Максвелл
(1831–1879) осуществил в
области электродинамики
то же самое, что сделал
Ньютон в механике –
представил в изящной
математической
форме
результаты экспериментов
в
виде
знаменитой
системы
из
четырёх
уравнений
Максвелла
(1860-е гг.).
24
Уравнения
Максвелла
в
электродинамике – это как законы
Ньютона в классической механике
или как постулаты Эйнштейна в
теории относительности.
Уравнения Максвелла – это система
уравнений в дифференциальной
или
интегральной
форме,
описывающая
любые
электромагнитные
поля,
связь
между токами и электрическими
зарядами в любых средах.

Эти уравнения позволили сделать несколько
ключевых выводов:
— Изменяющееся во времени магнитное поле
порождает вихревое электрическое поле,
а переменное электрическое поле является
источником магнитного.
Таким образом, электрическое и магнитное поля
могут существовать без токов и зарядов, непрерывно
возбуждая друг друга.
В результате чего возникают электромагнитные
волны, которые как показал теоретически Максвелл
(1865) и подтвердил экспериментально Г. Герц (1888),
распространяются в вакууме со скоростью света.
26
В соответствии с электромагнитной теорией
мир
представляет
единую
электродинамическую
систему,
построенную из электрически заряженных
частиц, взаимодействующих посредством
электромагнитного
поля.
Важнейшими
понятиями этой теории являются: заряд,
который может быть как положительным, так
и отрицательным; напряженность поля –
сила, которая действует на тело, несущее
единичный заряд, если оно находится в
рассматриваемой точке.

Электромагнитная
картина
мира
базировалась
на
идеях
непрерывности материи, материального
электрического
поля,
неразрывности
материи и движения, связи пространства
и времени как между собой, так и с
движущейся материей. Однако дальнейшее
ее развитие показало, что она имеет
относительный характер. Поэтому на смену
ей пришла новая квантово-полевая картина
мира, объединившая в себе дискретность
механической картины мира и непрерывность
электромагнитной картины мира
Важным следствием всего этого стал
вывод об электромагнитной природе света.
Тем самым материя предстала не только
как вещество (как в механике Ньютона), но
и как электромагнитное поле.
Как писал А. Эйнштейн, «первый удар по
учению Ньютона о движении как программе
для всей теоретической физики нанесла
максвелловская
теория
электромагнетизма…;
наряду
с
материальной точкой и её движением
появилась
нового
рода
физическая
реальность – поле».

29
Меньше наглядности
Наука на этом этапе становится всё более
математизированной и менее наглядной.
Другими
словами,
тип
научного
объяснения и обоснования изучаемого
объекта
через
построение
наглядной
механической модели уступает место другому
типу объяснения, выраженному в требовании
непротиворечивого
математического
описания объекта, даже в ущерб наглядности.
30
Электромагнитная картина мира
Успехи электродинамики привели к созданию
электромагнитной картины мира, которая объясняла
очень широкий круг явлений на основе одних и тех же
законов (Ампера, Ома, Био–Савара–Лапласа) и более
глубоко выражала единство мира.
Так как электромагнитные явления не сводились
к механическим, то на роль универсальных законов
природы теперь могли претендовать законы
электромагнитных явлений.
31
В 1895-1897 гг. открыты:
— лучи Рентгена,
— радиоактивность (Беккерель), радий (Мария
Склодовская –Кюри и Пьер Кюри),
— Джозеф Томпсон англ.

открыл электрон и предложил электромагнитную
модель атомов.
Немецкий физик Макс Планк в 1900 г. ввел квант
действия и, исходя из идеи квантов, вывел закон
излучения: «электромагнитная энергия излучается и
поглощается дискретно, порциями (квантами)».
Естественно это входило в противоречие с
понятием материи в теории Максвелла как
непрерывном электромагнитном поле.
Все вышеназванные открытия опровергли
представление об атоме, как о последнем
«неделимом кирпичике» мироздания («материя
32
исчезла»).
В 1911 г. англ. Эрнест Резерфорд в серии
экспериментов обнаружил у атома ядро, размер
которого мал по сравнению с размером атома, но в
котором сосредоточена основная масса атома.
Он предложил планетарную модель атома: ядро и
вращающиеся вокруг него электроны. Резерфорд
открыл – и – лучи, предсказал существование
нейтрона. Но его планетарная модель была
несовместима
с
электромагнитной
теорией
Максвелла.

33
Нильс Бор (1885-1962) в 1913 г. на основе идей
Резерфорда и Планка предложил свою модель атома,
в которой предположил, что электроны вращаются по
нескольким дискретным стационарным орбитам, при
этом вопреки электродинамике не излучают энергии.
Поглощая или испуская кванты энергии, электроны
могут переходить с одной стационарной орбиты на
другую. При переходе – на орбиты более удалённые от
ядра происходит увеличение энергии атома, и
наоборот.
34
Несмотря на обилие экспериментальных результатов,
физики испытывали трудности в согласовании
концептуальных основ механики Ньютона и
электродинамики Максвелла–Лоренца.
А. Эйнштейну в своей теории относительности заявил
о бессмысленности рассмотрения отдельно
электрического и магнитного полей.
35
ОТО и СТО
Две теории
относительности
(общая и специальная),
разработанные
Альбертом
Эйнштейном (18791955) в начале 20 века,
показали
ограниченность
ньютоновской
механики и выход из
противоречий в теории
электромагнетизма.

36
Теория относительности Эйнштейна основана на
двух постулатах:
1) Скорость света одинакова во всех системах
отсчета, движущихся прямолинейно и
равномерно друг относительно друга.
2) Все законы природы одинаковы во всех системах
координат, движущихся прямолинейно и
равномерно друг относительно друга.
СТО (1905 г.) можно представить уравнением
E=mc2, связывающим энергию релятивистских
частиц и их массу. Здесь c – скорость света.
37
Общая теория относительности (1916 г.)
показала взаимосвязь пространства, времени,
массы и энергии.
Известный тезис этой теории касался того, что
сильное поле тяготения искривляет световые лучи
(пространство).
Это было дополнительно подтверждено
наблюдением отклонения местоположения звёзд во
время солнечного затмения. Пространство и время
испытывают воздействие сил гравитации: при
усилении тяготения пространство сжимается, а
время ускоряется.
пропорциональна массе, а согласно СТО масса
связана с энергией.
38
Таким образом, СТО утверждает, что пространство
и время не абсолютны. Они органически связаны с
материей, движением и между собой.
Эти идеи привели к отрицанию единственной и
непререкаемой системы отсчета.
Оказалось, что при наблюдении необходимо
учитывать также положение и движение самого
наблюдателя. Во времена Ньютона Землю
принимали за неподвижную систему отсчёта,
относительно которой можно наблюдать всё
остальное, но Эйнштейн убедительно показал, что
не существует неизменной точки отсчёта – всё
является относительным.
39
40. Общие выводы
Ньютоновская механика:Пространство однородно,
размеры
тел
во
всех
системах отсчёта одинаковы,
время во всех инерциальных
системах
отсчёта
течёт
одинаково.
Полная
энергия
замкнутой системы величина
постоянная.

Масса тела не зависит от
того, движется или покоится
тело.
СТО
(на
основе
математических следствий из
преобразований
Лоренца):
значения пространственных
и временных характеристик
зависят
от
значений
скоростей,
с
которыми
движутся тела.
Длина
тела,
двигающегося со скоростью
близкой к скорости света,
сокращается.
Часы
в
аналогичной ситуации идут
медленнее. В релятивистской
динамике полная энергия и
масса
тела
зависят
от
характера его движения.
41. Спасибо за внимание!
41ФизИнфо гимназия «Грейс»: физика 11
физика 11
Все формулы по физике
Учебные презентации по физике
02/09/2021 Урок №1 Магнитное поле. Взаимодействие токов.
Кто хочет стать миллионером?
https://learningapps.org/5045313
видеоурок_1 Магнитное поле. Магнитная индукция.
Видеоурок_2 Магнитное поле
03/09/2021 Урок 2 Сила Ампера
Урок 2
Закон Ампера
F = BILsinα, где F — это сила Ампера (сила, с которой проводники отталкиваются или притягиваются), где B — магнитная индукция; I — сила тока; L — длина проводника; α — угол между направлением тока и направлением магнитной индукции.
Задания из ВПР Сила Ампера
Как сделать простейший электродвигатель
Версия_1
Версия_2
Версия_3
Урок 3 Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.
16.09.2021 Готовимся к ВПР
Урок 7 «Открытие явления электромагнитной индукции»
ВПР физика 11 класс
Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Правило Ленца.
Видео 1
Видео 2
Видео 3
Галилео. Эксперимент. Электромагнитная индукция
Правило Ленца
Магнитный поток
Видеоурок Магнитный поток
Интерактивный тест
Урок 9
Урок 17. Свободные колебания в колебательном контуре. Превращения энергии в колебательном контуре.
Решение задач
Презентация_1
Видеурок_ 1
Презентация_2
Урок 18 Решение задач
- Определите период собственных колебаний колебательного контура, состоящего из катушки индуктивностью L=0,1 Гн и конденсатора емкостью С=2 мкФ.
Урок 19
Урок 17 Переменный ток. Активное сопротивление.Конденсатор и катушка в цепи переменного тока.
Видеурок 1
Видеурок 2
Урок
Емкостное и индуктивное сопротивление .Резонанс в электрической цепи.
Урок 22 «Производство, использование и передача электрической энергии
Урок 23 Волновые явления. Распространение механических волн.
Урок 24 Длина волны. Скорость волны. Звуковые волны. Решение задач
Урок 25 «Излучение электромагнитных волн. Опыты Герца.»
Урок 27 Изобретение радио. Принципы радиосвязи. Модуляция и детектирование.
Урок 28 Свойства электромагнитных волн. Распространение радиоволн. Радиолокация.
Урок 29 «Понятие о телевидении, Развитие средств связи.
Урок 32 «Скорость света»
Урок 33 «Закон отражения света»
Урок 34 Закон Преломления света
При переходе излучения из одной среды в другую его частота и период не изменяются. Изменяются скорость его распространения и длина волны, показатель преломления среды n=c/v= λ1/ λ2, где с — скорость света в вакууме, v-скорость света в среде, λ1 -длина волны в вакууме, λ2-длина волны в среде.
Урок 35 «Лабораторная работа измерение показателя преломления стекла»
Урок 36 «Линза .Построение изображений в линзе
Урок 37 «Формула тонкой линзы»
Урок 40 Интерференция механических волн. Интерференция света. Некоторое применение интерференции света.
Урок 41 Подготовка к ВПР
Урок 41 Дифракция механических и световых волн.
Урок 44 Виды излучений. Источники света. Спектры и спектральные аппараты.
Урок 45 Виды спектров
Урок «Шкала электромагнитных волн»
Лабораторная работа наблюдение сплошного и линейчатого спектров
Световые волны
Урок 49 Законы электродинамики и принцип относительности. Постулаты теории относительности. Пространство и время в теории относительности.
Урок 50 Релятивистская динамика. Связь между массой и энергией.
Урок 51 Зачет
Урок 52 Тепловое излучение. Постоянная Планка. Фотоэффект. Теория фотоэффекта. Фотоны.
Урок 53 «Применение фотоэффекта»
13.04.2021 Строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору.
14/04/ 2021 Урок 55
Лазеры
Урок 56 «Методы регистрации заряженных частиц»
Урок 57 Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Изотопы.
Урок 58 Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер.
Дефектом массы называют разность суммарной массы отдельных частиц, входящих в состав атома (ядра), и полной массы атома (ядра). Этот дефект объясняется уменьшением массы ядра, которое образуется при объединении нуклонов, по сравнению с суммарной массой этих нуклонов до объединения.
Урок 59 Ядерные реакции. Деление ядер урана. ЦЯР.
11.05.2021 Урок Повторения
Вопросы
1.Связь между массой и энергией.
Все знают формулу E=mc2, и все слышали, что ее Эйнштейн придумал. Многие даже знают, что Е обозначает энергию, m — массу, а c — скорость света.
2.Строение атомного ядра.
ЗНАТЬ НА ПАМЯТЬ
Э
лементарные частицынейтрон 2) протон 3) α-частицы 4) электронАтом электрически нейтрален. Поэтому число протонов в ядре атома должно равняться числу электронов в атомной оболочке, т.е. атомному номеру Z. Общее число нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре обозначается через A и называется массовым числом. Числа Z и A полностью характеризуют состав ядра. По определению:
A = Z + N. | (2.1) |
Для обозначения различных ядер обычно используется запись вида Z X A, где X – химический символ, соответствующий элементу с данным Z. Например, выражение 4Ве9 обозначает ядро атома бериллия с Z = 4, A = 9, имеющее 4 протона и 5 нейтронов.
Пример решения задачи
ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИПод действием какой частицы протекает ядерная реакция ?
3.Ядерные реакции.
Динамика Галилея и Ньютона. Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики]
Динамика Галилея и Ньютона
Глубоким прорывом, принесенным в естествознание XVII веком, стало понимание движения. Древние греки достигли замечательного понимания статики вещей — твердых геометрических тел или тел, находящихся в состоянии равновесия (т. е. в состоянии, в котором все действующие на тело силы уравновешены, и движения нет), но не имели хорошего представления о законах, управляющих поведением реально движущихся тел. Чего недоставало древним грекам, это хорошей теории динамики, т. е. теории, описывающей тот красивый способ, каким природа управляет изменениями положения тел от одного момента времени к другому. Частично (но отнюдь не полностью) это объясняется тем, что у древних греков не было никаких сколь-нибудь точных средств измерения времени, т. е. достаточно хороших «часов». Такие часы необходимы для точного хронометрирования изменений в положении тел. Это позволило бы точно определить скорости и ускорения тел. Наблюдения, произведенные Галилеем в 1583 году, показали, что в качестве надежного средства хранения точного времени можно было бы использовать маятник. Этот факт имел далеко идущие последствия для самого Галилея (и для развития всего естествознания в целом!), так как позволял осуществить точное[106] хронометрирование движения. Примерно через сорок пять лет — с публикацией в 1638 году Бесед и математических доказательств, касающихся двух новых отраслей науки Галилея — начал развиваться новый предмет — динамика, и началась трансформация от древнего мистицизма к современной науке!
Позвольте мне выделить всего лишь четыре наиболее важные физические идеи, введенные Галилеем. Первая идея Галилея заключалась в том, что сила, действующая на тела, определяет ускорение, а не скорость. Что в действительности означают термины «ускорение» и «скорость»? Скорость частицы — или какой-нибудь точки тела — это темп изменения во времени положения этой частицы или точки. Скорость обычно принято считать векторной величиной, иначе говоря, необходимо принимать во внимание не только величину, но и направление скорости (в противном случае мы используем термин «величина скорости», см. рис. 5.4).
Рис. 5.4. Скорость, величина
скорости и ускорение
Ускорение (также векторная величина) — это темп изменения, скорости во времени. Таким образом, ускорение в действительности есть скорость изменения скорости изменения положения во времени! (Древним было трудно понять сущность понятия «ускорение», так как у них не было адекватных «часов», и они не располагали соответствующими математическими идеями относительно «темпа изменения». ) Галилей установил, что сила, приложенная к телу (в случае, исследуемом Галилеем — сила тяжести), управляет ускорением этого тела, но не управляет непосредственно его скоростью, как полагали древние, например, Аристотель.
В частности, в отсутствие приложенной к телу силы его скорость постоянна. Следовательно, неизменяемое движение тела по прямой есть результат отсутствия силы (первый закон движения Ньютона).
Тела в свободном движении продолжают сохранять состояние равномерного прямолинейного движения, и для того, чтобы они пребывали в этом состоянии, никакой силы не требуется. Действительно, одно из следствий из выведенных Галилеем и Ньютоном законов движения состояло в том, что равномерное прямолинейное движение физически полностью неотличимо от состояния покоя (т. е. отсутствия движения): не существует локального способа, позволяющего отличить равномерное прямолинейное движение от покоя! Галилей особенно четко сформулировал это утверждение (даже более четко, чем Ньютон) и дал ему весьма наглядное описание, использовав образ корабля в море (см. Дрэйк [1953], с. 186–187):
«Закройтесь вместе с вашим приятелем в кают-компании под палубой большого судна, прихватив с собой мух, бабочек и каких-нибудь других мелких летающих существ. Возьмите также с собой большой сосуд с водой, в котором бы плавала рыбка; подвесьте бутылку, из которой вода капля за каплей вытекала бы в подставленный снизу широкий сосуд. Пока судно будет стоять, внимательно присмотритесь к тому, как мелкие твари летают в каюте с одинаковой быстротой по всем направлениям. Рыбка также плавает одинаково охотно по всем направлениям; капли из бутылки падают в подставленный снизу сосуд… Внимательно пронаблюдав все эти явления, вы пускаетесь в плавание. Судно идет с любой скоростью, какая вам будет угодна. До тех пор и поскольку движение судна будет прямолинейным и равномерным без рысканья то в одну, то в другую сторону, вы не обнаружите ни малейших изменений в наблюденных ранее явлениях и не сможете отличить ни по одному из них, движется ли судно или стоит на месте… Капли будут, как и прежде, падать в подставленный снизу сосуд, ничуть не отклоняясь к корме, хотя пока капли находятся в воздухе, судно успевает пройти значительное расстояние. Рыбка в воде будет плавать вперед (по ходу движения судна) так же часто, как и назад, и с одинаковой легкостью подплывать к корму, в каком бы месте у стенок сосуда он бы ни был насыпан. Наконец, мухи и бабочки будут по-прежнему летать по всем направлениям, не отдавая предпочтения ни одному из них, не скапливаясь ближе к корме, как бы от усталости, будучи вынужденными следовать курсу судна, от которого они будут отделены на протяжении продолжительных интервалов времени, в течение которых они находятся в воздухе».
Этот замечательный факт, получивший название принципа относительности Галилея, имеет в действительности решающее значение для наполнения копернианской точки зрения динамическим смыслом. Николай Коперник (1473–1543) и древнегреческий астроном Аристарх (ок. 310–230 гг. до н. э.; не путать с Аристотелем!) за восемнадцать веков до Коперника выдвинули гипотезу о том, что Солнце покоится, а Земля движется, вращаясь вокруг своей собственной оси и обращаясь по орбите вокруг Солнца. Почему мы не ощущаем этого движения, которое происходит со скоростью около нескольких сотен тысяч километров в час? До того, как Галилей выдвинул свою динамическую теорию, этот вопрос действительно представлял настоящую и глубокую загадку для сторонников копернианской картины мироздания. Если бы была верна более ранняя «аристотелевская» версия динамики, согласно которой реальная скорость системы в ее движении сквозь пространство влияла бы на динамическое поведение системы, то движение Земли заведомо было бы чем-то непосредственно очевидным для нас. Относительность Галилея позволяет понять, каким образом Земля может находиться в движении, хотя это движение не будет чем-то воспринимаемым нами непосредственно[107]).
Заметим, что в рамках галилеевой относительности не существует локального физического смысла, который можно было бы придать понятию «в покое». Это приводит к важным следствиям относительно того, как надлежит рассматривать пространство и время. Интуитивная картина пространства и времени состоит в том, что «пространство» представляет собой своего рода арену, на которой происходят физические события. Физический объект может в один момент времени находиться в одной точке пространства, а в более поздний момент времени может оставаться в той же точке или оказаться в другой точке пространства. Представим себе мысленно, что точки пространства каким-то образом могут сохранять свое положение от одного момента времени до следующего момента так, что имеет смысл говорить о том, изменил ли некоторый объект свое положение в пространстве или не изменил. Но галилеева относительность учит нас, что «состояние покоя» не имеет абсолютного характера и поэтому невозможно придать смысл выражению «одна и та же точка пространства в два различных момента времени». Какая точка евклидова трехмерного пространства физической реальности в один момент времени является «той же» точкой евклидова трехмерного пространства в другой момент времени? На этот вопрос невозможно ответить. Создается впечатление, что для каждого момента времени нам необходимо иметь совершенно «новое» евклидово пространство! Этому можно придать смысл, если рассмотреть четырехмерную пространственно-временну?ю картину физической реальности (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Галилеево пространство-время: частицы, движущиеся равномерно и прямолинейно, изображены в виде прямых
Трехмерные евклидовы пространства, соответствующие различным моментам времени, в этой картине действительно рассматриваются отдельно друг от друга, но все эти пространства объединены, образуя совместно полную картину четырехмерного пространства-времени. Истории частиц, движущихся равномерно и прямолинейно, описываются прямыми (называемыми мировыми линиями) в пространстве-времени. В дальнейшем я еще вернусь к проблеме пространства-времени и относительности движения в контексте эйнштейновской специальной теории относительности. Мы увидим, что довод в пользу четырехмерности обретает в этом случае гораздо бо?льшую силу.
Третья из великих догадок Галилея стала ключом к началу понимания закона сохранения энергии. Галилея главным образом интересовало движение объектов под действием силы тяжести. Он заметил, что если тело стартует из состояния покоя, то идет ли речь о свободно падающем теле, или о колеблющемся маятнике произвольной длины, или о теле, соскальзывающем по наклонной плоскости, скорость движения всегда зависит только от расстояния по вертикали, пройденного телом от начального положения. Кроме того, достигнутая скорость всегда в точности достаточна для возвращения тела на ту высоту, с которой оно начало двигаться. Теперь мы должны были бы сказать, что энергия, запасенная телом на исходной высоте над поверхностью земли (гравитационная потенциальная энергия), может превращаться в энергию движения тела (кинетическую энергию, которая зависит от величины скорости тела), а та, в свою очередь, — в потенциальную энергию, причем в целом энергия не утрачивается и не приобретается.
Закон сохранения энергии — очень важный физический принцип. Это — не независимое физическое требование, а следствие из законов движения Ньютона, до которых мы скоро дойдем. На протяжении столетий все более понятные формулировки закона сохранения энергии делались Декартом, Гюйгенсом, Лейбницем, Эйлером и Кельвином. Позднее в этой главе и в главе 7 мы еще вернемся к закону сохранения энергии. Оказывается, что в сочетании с галилеевским принципом относительности закон сохранения энергии приводит к другим законам сохранения, имеющим немалое значение: закону сохранения массы и закону сохранения количества движения (импульса). Количество движения частицы равно произведению ее массы и ее скорости. Знакомые примеры сохранения количества движения возникают при рассмотрении реактивного движения, когда увеличение направленного вперед количества движения ракеты в точности уравновешивается направленным назад количеством движения выхлопных газов (обладающих меньшей массой, но зато большей скоростью). Отдача ружья при выстреле — еще одно проявление закона сохранения количества движения. Еще одним следствием из законов движения Ньютона служит закон сохранения углового момента (момента количества движения), описывающий постоянство вращения системы вокруг собственной оси. Вращение Земли вокруг собственной оси, равно как и вращение теннисного мяча вокруг собственной оси, не затухают благодаря закону сохранения их угловых моментов. Каждая частица, образующая любое тело, вносит свой вклад в полный угловой момент тела, причем величина этого вклада равна произведению количества движения частицы на расстояние ее от оси вращения (длину перпендикуляра, опущенного из точки, где находится частица, на ось вращения). (Следовательно, угловую скорость свободно вращающегося объекта можно увеличить, сделав объект более компактным. Это приводит к поразительному, но хорошо знакомому действию, часто исполняемому спортсменами на льду и воздушными гимнастами на трапеции. Прижав к себе руки или поджав ноги, они резко увеличивают скорость вращения просто вследствие закона сохранения углового момента!) Как будет показано в дальнейшем, масса, энергия, количество движения (импульс) и угловой момент принадлежат к числу важных для нас понятий. Наконец, мне следовало бы напомнить читателю о пророческой догадке Галилея, понявшего, что в отсутствие атмосферного сопротивления все тела под действием силы тяжести падают с одной и той же скоростью. (Возможно, читатель вспомнит известную легенду о том, как Галилей сбрасывал с наклонной башни в Пизе по несколько предметов одновременно.) Три столетия спустя то же самое озарение привело Эйнштейна к обобщению принципа относительности на ускоренные системы отсчета и стало, как мы увидим в конце этой главы, краеугольным камнем его необычайной общерелятивистской теории относительности.
На мощном фундаменте, заложенном Галилеем, Ньютону удалось возвести величественнейший храм. Он сформулировал три закона, управляющие поведением материальных тел. Первый и второй законы Ньютона по существу совпадали с законами, открытыми Галилеем: если на тело не действует никакая сила, то тело продолжает равномерно двигаться по прямой; если на тело действует какая-нибудь сила, то произведение массы тела на ускорение (т. е. скорость изменения количества движения тела) равно этой силе. Заслуга собственно Ньютона состояла в осознании необходимости третьего закона движения: сила, с которой тело А действует на тело В, в точности равна по величине и противоположна по направлению силе, с которой тело В действует на тело А (иными словами, «для каждого действия всегда существует равное по величине противодействие»), Три закона движения Ньютона образуют основу основ. «Ньютоновская вселенная» состоит из частиц, движущихся в пространстве, где действуют законы евклидовой геометрии.
Рис. 5.6. Сложение векторов по правилу параллелограмма
Ускорения этих частиц определяются действующими на них силами. Сила, приложенная к каждой из частиц, получается путем сложения (по правилу сложения векторов, см. рис. 5.6) всех сил, действующих на данную частицу со стороны всех остальных частиц. Чтобы система была хорошо определенной, необходимо задать некоторое четкое правило, которое позволяло бы установить, какая сила действует на частицу А со стороны другой частицы В. Обычно мы требуем, чтобы эта сила действовала по прямой, соединяющей частицы А и В (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Сила, действующая между двумя частицами, направлена по прямой между ними (и по третьему закону Ньютона сила, действующая на частицу А со стороны частицы В, всегда равна по величине и противоположна по направлению силе, действующей на В со стороны А)
Если речь идет о гравитационной силе, то между А и В возникает сила притяжения, величина которой пропорциональна произведению масс частиц А и В и обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами: закон обратных квадратов. Для других типов сил зависимость от взаимного расположения частиц может быть другой, и величина силы в этом случае будет зависеть не от масс частиц, а от какого-то иного их свойства.
Великий Иоганн Кеплер (1571–1630), современник Галилея, заметил, что орбиты планет, описываемые ими вокруг Солнца, имеют форму эллипсов, а не окружностей (причем Солнце всегда находится в фокусе, а не в центре эллипса), и сформулировал два других закона, задающих скорости, с которыми планеты движутся по орбитам. Ньютон сумел показать, что три закона Кеплера следуют из его собственной общей модели (с учетом силы притяжения, обратно пропорциональной квадрату расстояния между телами). Кроме того, Ньютон внес многие поправки к кеплеровским эллиптическим орбитам, а также объяснил ряд других эффектов (например, медленное движение оси вращения Земли, замеченное задолго до Ньютона еще древними греками). Чтобы прийти к таким результатам, Ньютону, помимо дифференциального исчисления, пришлось разработать немало дополнительных математических методов. {10} $ за примерно 10$, больше, чем величина $F_ {E} $.
Я не уверен, почему вы думаете, что магнитная сила не могла превысить электрическую силу, но это зависит от ситуации.
2), что происходит с траекториями частиц из-за влияния взаимного магнитного поля (сила Лоренца), они сходятся?
Это зависит от ситуации. В вашем определенном примере необходимо понять что солнечный ветер всегда проникается второстепенным магнитным полем и что частицы обычно следуйте за магнитным полем.
3) их пути должны также отличаться, так как отвращение (Сила кулона) немного более сильно, чем привлекательность (Biot-Savart)? Каков результат взаимодействия всех этих сил, что происходит с частицами? Я пытался сделать граф. Это правильно? каковы окончательные значения?
Таким образом, заряженные частицы почти никогда не изолируются. В солнечном ветре (и почти все plasmas во вселенной), электростатические области частиц показаны противоположно заряженными частицами по среднему расстоянию, названному Длина Дебая. Поэтому, к сожалению, эти две частицы могут не действительно действовать как две независимых частицы. На самом деле они будут, скорее всего, действовать как часть скоростные распределения и покажите коллективное поведение больше как жидкость, чем всего две отдельных частицы.
4), почему магнитное поле производит привлекательность?
Это подобно проблеме с двумя параллельными находящимися под напряжением проводами. $\\mathbf {j} \times \mathbf {B} $ — сила (связанный с Эффект зала) из тока от провода 1 под влиянием магнитного поля от провода 2 произведет силу на проводе 1 направленный к проводу 2. То же самое верно для провода 2 должных к влиянию провода. Таким образом два провода, как могли говорить, привлекли друг друга.
5) наконец, но самый важный, я прочитал, что магнитная сила интерпретируется через относительность как электрическое поле в различной структуре, которая является правильной? Но здесь эти два электрона находятся в той же самой структуре, и в той структуре они не двигаются (кроме небольшого расхождения), и они не должны чувствовать магнитную силу.
Посмотрите Уравнения 1a и 1b выше…
6), как отталкивающая сила может преобразовать в привлекательную в различную структуру?
Сила не a Инвариант Лоренца. Значение, направление и величина силы могут измениться в различной справочной структуре. Силы соответствуют тому, что называют Преобразования Лоренца. Таким образом, силы могут qppear отличающийся в различных справочных структурах.
может наблюдатель К, двигающийся с CM, выводит, что они все (A, B, C) двигаются, даже если не знающий, и даже узнает фактическую скорость, которую они перемещают в, просто заметив, что ценность отвращения отличается от того, предсказанного Кулоном?
Нет, движение не что-то, что можно вывести. Думайте о поездке в автомобиле, поезде или воздушном самолете на постоянной скорости. Без наблюдения окно вы не могли решить, что двигались. Можно измерить электрические и магнитные поля в системе отсчета датчика. Без измерения в различной справочной структуре можно только обсудить измерение в структуре измерения. Можно применить преобразование Лоренца к тем измерениям, чтобы вывести то, что необходимо наблюдать в любой данной структуре, но вы не можете решить, что двигаетесь основанный на одних только измерениях электрического и магнитного поля.
For simplicity, let us use the non-relativistic limit (i.e., $\gamma \rightarrow 1$) and assume: $$ \begin{align} \mathbf{v} & = \left( 0, v_{y}, 0 \right) \\ \mathbf{u} & = \left( u_{x}, 0, 0 \right) \\ \mathbf{E} & = \left( E_{x}, 0, 0 \right) \\ \mathbf{B} & = \left( 0, 0, B_{z} \right) \end{align} $$ where $\boldsymbol{\beta} = \mathbf{v}/c$, $\mathbf{u}$ is the instantaneous particle velocity in the K-frame, and we assume $u_{x} > 0$ and $B_{z} > 0$. Then we can show that the Lorentz force in the K-frame is given by: $$ \begin{align} \mathbf{F} & = q \ \left( \mathbf{E} + \frac{\mathbf{u}}{c} \times \mathbf{B} \right) \tag{2a} \\ & = q \ \left( E_{x}, — \frac{u_{x} \ B_{z}}{c}, 0 \right) \tag{2b} \end{align} $$
Performing Lorentz transformations and velocity additions, we can show that the relevant 3-vectors in the K’-frame are: $$ \begin{align} \mathbf{u}’ & = \left( u_{x}, -v_{y}, 0 \right) \\ \mathbf{E}’ & = \left( E_{x} + \frac{v_{y} \ B_{z}}{c}, 0, 0 \right) \\ \mathbf{B}’ & = \left( 0, 0, B_{z} + \frac{v_{y} \ E_{x}}{c} \right) \\ \mathbf{F}’ & = q \ \left( \mathbf{E}’ + \frac{\mathbf{u}’}{c} \times \mathbf{B}’ \right) \tag{3a} \\ & = q \ \left( E_{x} \ \left[ 1 — \frac{v_{y}^{2}}{c^{2}} \right], — \frac{u_{x}}{c} \ \left[ B_{z} + \frac{v_{y} \ E_{x}}{c} \right], 0 \right) \tag{3b} \end{align} $$
Then to reverse the sign of the $\hat{\mathbf{y}}$-component of Equation 2b, the $\hat{\mathbf{y}}$-component of Equation 3b must satisfy: $$ \begin{align} E_{x} & — \frac{c \ B_{z}}{E_{x}} \\ & \text{OR} \\ E_{x} & > 0 \ \text{ & } \ v_{y}
Так в принципе для признака компонента силы с 3 векторами возможно полностью изменить.
Тема СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ СТО 1
Тема. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО) • . 1. Принцип относительности Галилея. Закон сложения скоростей • . 2. Постулаты Эйнштейна • . 3. Преобразования Лоренца • . 4. Следствия из преобразований Лоренца • . 5. Релятивистская механика • . 6. Взаимосвязь массы и энергии покоя 1
8. 1. Принцип относительности Галилея. При изложении механики предполагалось, что все скорости движения тел значительно меньше скорости света. Причина этого в том, что механика Ньютона (классическая) неверна, при скоростях движения тел, близких к скорости света Правильная теория для этого случая, называется релятивистской механикой 2 или специальной теорией относительности
Преобразования Галилео Галилей (Galileo Galilei) Родился 15 февраля 1564 Пиза (Pisa) Италия Умер 8 января 1642 Арчетри (Arcetri) Италия астроном, философ и физик. важнейшие роботы улучшение телескопа разнообразие астрономических наблюдений первый закон движения 3
Исаак Ньютон (Isaac Newton) Родился 1643 Вулсторп (Woolsthorpe) Англия Умер 1727 Лондон (London) Англия физик, математик, астроном, алхимик и философ важнейшие работы закон всемирного тяготения дифференциальное и интегральное исчисления изобрел зеркальный телескоп 4
Механика Ньютона оказалась замечательным приближением к релятивистской механике, справедливым в области Большинство встречающихся в повседневной жизни скоростей значительно меньше скорости света. Но существуют явления, где это не так (ядерная физика, электромагнетизм, фотоэффект, астрономия ). По классической механике: механические явления происходят одинаково в двух системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно 5 относительно друга.
Рассмотрим две инерциальные системы отсчета k и k’. Система k’ движется относительно k со скоростью вдоль оси x. Точка М движется в двух системах отсчета: 6 Рисунок 8. 1
Найдем связь между координатами точки M в обеих системах отсчета. Отсчет начнем, когда начала координат систем – совпадают, то есть Тогда: (8. 1. 1) Это т. н. преобразования Галилея. 7
В уравнениях (8. 1. 1) время – т. е. в классической механике предполагалось, что время течет одинаково в обеих системах отсчета независимо от скорости. «Существует абсолютное время, которое течет всегда одинаково и равномерно» , – говорил И. Ньютон. В векторной форме преобразования Галилея можно записать так: (8. 1. 2) 8
Продифференцируем это выражение по времени, получим: закон сложения скоростей в классической механике: или, (8. 1. 3) Скорость движения точки М (сигнала) в системе k’ и в 9 системе k различны.
Преобразования Галилея Таким образом видим, что для однозначного определения кинематических параметров, описывающих движение материальной точки относительно СО K, по измерениям, K’, необходимо знать связь моментов времени t 0 В классической механике проблема взаимосвязи моментов времени в различных СО решается постулатом Галилея проведенным в СО Моменты времени в различных СО совпадают с точность до постоянной величины, определяемой процедурой синхронизации часов Обычно считают часы синхронизированными Эти уравнения называют преобразованиями Галилея для 10 произвольных СО
Законы природы, определяющие изменение состояния движения механических систем не зависят от того, к какой из двух инерциальных систем отсчета они относятся. Это принцип относительности Галилея. 11
Из преобразований Галилея и принципа относительности следует, что взаимодействия в классической физике должны передаваться с бесконечно большой скоростью В противном случае можно было бы одну инерциальную систему отсчета отличить от другой по характеру протекания в них физических процессов. Принцип относительности Галилея и законы Ньютона подтверждались ежечасно при рассмотрении любого движения, и господствовали в физике более 200 лет. 12
13
В 1865 г. появилась теория Дж. Максвелла, и уравнения Максвелла не подчинялись преобразованиям Галилея. Ее мало кто принял сразу, она не получила признания при жизни Максвелла. Но вскоре все сильно изменилось, когда в 1887 г. после открытия электромагнитных волн Герцем, были подтверждены все следствия, вытекающие из теории Максвелла – ее признали. Появилось множество работ, развивающих теорию Максвелла. 14
Максвелл Джеймс Клерк (1831 – 1879) – величайший английский физик. Его работы посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статике, оптике, механике, теории упругости. Установил статистический закон, описывающий распределение молекул газа по скоростям. Самым большим достижением Максвелла является теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы 15 нескольких уравнений, выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений.
В теории Максвелла, скорость света (скорость распространения электромагнитных волн), конечна и равна А в теории Галилея скорость передачи сигнала бесконечна и зависит от системы отсчета Первые догадки о конечности распространения скорости света, были высказаны еще Галилеем. Астроном Рёмер в 1676 г. пытался найти скорость света. По его приближенным расчетам, она была равна 16
Нужна была экспериментальная проверка теории Максвелла. Он сам предложил идею опыта – использовать Землю в качестве движущейся системы (Известно, что скорость движения Земли В 1881 г. были выполнены опыты, которые доказали независимость скорости света от скорости источника или наблюдателя. Необходимый для опыта прибор изобрел блестящий военно-морской 17 офицер США – А. Майкельсон
Майкельсон Альберт Абрахам (1852 – 1931) – американский физик. Основные работы в области оптики, спектроскопии. Изобрел интерферометр (интерферометр Майкельсона), сыгравший значительную роль в обосновании специальной теории относительности и в изучении спектральных линий. Осуществил серию экспериментов по точному определению скорости света. Президент Американского физического общества. 18 Член АН СССР. Лауреат Нобелевской премии в 1907
Интерферометр Майкельсона Рисунок 8. 3 19
Вследствие сравнительно большой скорости движения Земли, свет должен был иметь различные скорости по вертикальному и горизонтальному направлениям. Поэтому время, затрачиваемое светом на прохождение путей: источник S – полупрозрачное зеркало (ппз) – зеркало (з 1) – ппз и источник – ппз 20 – (зеркало) з 2 – ппз должно быть различным.
В результате, световые волны, пройдя указанные пути, должны были изменить интерференционную картину на экране. Майкельсон проводил эксперименты в течение семи лет с 1881 г. в Берлине и с 1887 г. в США совместно с профессором Морли. Точность первых опытов была невелика Однако, опыт дал отрицательный результат: сдвиг интерференционной картины обнаружить не удалось. Таким образом, результаты опытов Майкельсона — Морли показали, что величина скорости света постоянна и не зависит от движения 21 источника и наблюдателя.
Эти опыты повторяли и перепроверяли многократно. В конце 60 -ых годов Ч. Таунс довел точность измерения до 1 м/с. Скорость света осталась неизменной Независимость скорости света от движения источника и от направления недавно была продемонстрирована с рекордной точностью в экспериментах, выполненных исследователями из университетов г. в которых установлена Констанц лучшая на сегодняшний день точность и г. Дюссельдорф 22
Эта точность в 3 раза выше достигнутой ранее. Исследовалась стоячая электромагнитная волна в полости кристалла сапфира, охлажденного жидким гелием. Два таких резонатора были ориентированы под прямым углом друг к другу. Вся установка могла вращаться, что позволило установить независимость скорости света от направления. 23
Было много попыток объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона. Морли. Наиболее известна гипотеза Лоренца о сокращении размеров тел в направлении движения. Он даже вычислил эти сокращения, использовав для этого преобразование координат, которые так и называются «сокращения Лоренца-Фитцджеральда» . Дж. Лармор в 1889 г. доказал, что уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца. Очень близок был к созданию теории относительности Анри Пуанкаре. Но Альберт Эйнштейн был первым, кто четко и ясно сформулировал основные идеи теории 24 относительности.
25
А. Эйнштейн Г. Минковский Х. Лоренц 26
27
Принцип относительности Эйнштейна представляет собой фундаментальный физический закон, согласно которому любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе находящейся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Иначе говоря, законы физики имеют одинаковую форму (инвариантны) во всех инерциальных системах отсчета. 28
В основе СТО лежат два постулата Эйнштейна 1. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Инвариантность – неизменность вида уравнения при переходе из одной системы отсчета в другую (при замене координат и времени одной системы – другими). 2. Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости источника и приемника света. Все как-то пытались объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли, а Эйнштейн – 29 постулировал это, как закон.
В первом постулате главное, что время тоже относительно – такой же параметр, как и скорость, импульс, и т. д. Второй – возводит отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли – в ранг закона природы: Специальная теория относительности представляет физическую теорию, изучающую пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов, когда можно пренебречь действием тяготения. 30
8. 3. Преобразования Лоренца Формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую с учетом постулатов Эйнштейна предложил Лоренц в 1904 г. Лоренц Хендрик Антон (1853 – 1928) – нидерландский физик-теоретик, создатель классической электронной теории на основе электромагнитной теории Максвелла-Герца. 31
Его работы посвящены термодинамике, электродинамике, статической динамике, оптике, теории излучения, атомной физике. Вывел формулу, связывающую диэлектрическую проницаемость с плотностью диэлектрика (формула Лоренца -Лоренца), дал выражение для силы, действующей на движущийся заряд в электромагнитном поле (сила Лоренца), развил теорию дисперсии света. Разработал электродинамику движущихся тел (преобразования Лоренца). Член многих академий наук, в том числе и 32 АН СССР, лауреат Нобелевской премии.
Рассмотрим две инерциальные системы отсчета (неподвижную и подвижную) k и k’. Пусть x, y, z, t координаты и время некоторого события в системе k, а x’, y’, z’, t’ координаты и 33 время того же события в k’.
Как связаны между собой эти координаты и время? В рамках классической теории при эта связь устанавливается преобразованиями Галилея, в основе которых лежат представления об абсолютном пространстве и независимом времени: Из этих преобразований следует, что взаимодействия, в том числе и электромагнитные, должны передаваться с бесконечно большой скоростью и, скорость движения сигнала в системе k, отличается от 34 скорости в системе k’:
Лоренц установил связь между координатами и временем события в системах отсчета k и k’ основываясь на постулатах СТО: 35
— все инерциальные системы отсчета физически эквивалентны; — скорость света в вакууме постоянна и конечна, во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости движения источника и наблюдателя. Таким образом, при больших скоростях движения сравнимых со скоростью света, Лоренц получил 36
37
Преобразования Лоренца. где 38
Истинный физический смысл преобразований Лоренца был впервые установлен Эйнштейном в 1905 г. в СТО. В теории относительности время иногда называют четвертым измерением. Точнее говоря, величина ct, имеющая ту же размерность, что и x, y, z ведет себя как четвертая пространственная координата. В теории относительности ct и x проявляют себя с математической точки зрения сходным образом. 39
40
Полученные уравнения связывают координаты и время в подвижной k’ и неподвижной k системах отсчета. Отличие состоит только в знаке скорости υ, что и следовало ожидать, поскольку система k’ движется относительно k слева направо со скоростью υ, но наблюдатель в системе k’ видит систему k, движущуюся относительно него справа налево со скоростью минус υ. При малых скоростях движения или, при бесконечной скорости распространения взаимодействий теория дальнодействия), преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея (принцип соответствия). (Разобрать самостоятельно) 41
42
8. 4. Следствия из преобразований Лоренца 1. Одновременность событий в СТО По Ньютону, если два события происходят одновременно, то это будет одновременно для любой системы отсчета (время абсолютно). Эйнштейн задумался, как доказать одновременность? Возьмем два источника света на Земле 43 А и В:
Рисунок 8. 4 Если свет встретится на середине АВ, то вспышки для человека находящегося на Земле, будут одновременны. Но со стороны пролетающих мимо космонавтов со скоростью вспышки не будут казаться одновременными, т. к. 44
Рассмотрим это более подробно. Пусть в системе k (на Земле) в точках x 1 и x 2 происходят одновременно два события в момент времени Будут ли эти события одновременны в k’ (в пролетающей мимо ракете)? Для определения координат в k’ воспользуемся преобразованиями Лоренца (8. 4. 1) 45
В соответствии с преобразованиями Лоренца для времени в системе k’ получим: (8. 4. 3) (8. 4. 4) 46
События будут абсолютно одновременны в системах k и k’, если они происходят в один и тот же момент времени в одном и том же месте Если же в системе k то из (8. 4. 1) и (8. 4. 2) видно, что и в k’: тогда из (8. 4. 3) и (8. 4. 4) видно, что события не одновременны, т. е. Определим интервал времени между событиями в k’: 47
Интервал времени между событиями в k’: . (8. 4. 5) Разница во времени будет зависеть от и она может отличаться по знаку (ракета подлетает с той или другой стороны). 48
2. Лоренцево сокращение длины (длина тел в разных системах отсчета) Пусть – собственная длина тела в системе, относительно которого тело неподвижно (например: в ракете движущейся со скоростью мимо неподвижной 49 системы отсчета k (Земля)).
Рисунок 8. 5 Измерение координат x 1 и x 2 производим одновременно в системе и , т. е 50
Используя преобразования Лоренца, для координат получим: т. е. или 51 (8. 4. 6)
Формула Лоренцевым называется сокращением длины. Собственная длина тела, есть максимальная длина. Длина движущегося тела короче, чем покоящегося. Причем, сокращается только проекция на ось x, т. е. размер тела вдоль направления движения. 52
3. Замедление времени (длительность событий в разных системах отсчета) Пусть вспышка лампы на ракете длится где — собственное время, измеренное наблюдателем, движущимся вместе с часами. Чему равна длительность вспышки с точки зрения человека находящегося на Земле, мимо которого пролетает ракета? Так как тогда из преобразований Лоренца: 53
или (8. 4. 7) Из этого уравнения следует, что собственное время – минимально (движущиеся часы идут медленнее покоящихся). Таким образом, вспышка на Земле будет казаться длиннее. Этот вывод имеет множество 54 экспериментальных подтверждений.
55
Так, нестабильные элементарные частицы – пионы, рождающиеся в верхних слоях атмосферы, на высоте 20 – 30 км, при воздействии на нее космических лучей, имеют собственное время жизни За это время они могут пройти путь Но, в результате того, что они двигаются с очень большими скоростями, сравнимыми со скоростью света, их время жизни увеличивается и они до своего распада способны достигать поверхности Земли. Отсюда следует вывод, что у движущихся пионов секунды «длиннее» земных секунд. 56
В 60 – 70 гг. замедление времени наблюдалось не только с помощью нестабильных микрочастиц, но и проводились прямые измерения с использованием высокоточных часов, основанных на эффекте Мессбауэра. Двое таких часов показывают одно и то же время с точностью до В 1971 г. Хафель и Китинг осуществили прямое измерение замедления времени, отправив два экземпляра атомных часов в кругосветное путешествие на реактивном самолете. Потом их показания сравнили с показаниями таких же часов, оставленных на Земле, в лаборатории ВМС США. Время запаздывания составило 273 , что в 57 пределах ошибок согласуется с теорией.
Это следствие из преобразований Лоренца объясняет известный всем «парадокс близнецов» (самостоятельно). 58
4. Парадокс близнецов Рассмотрим близнецов А и В в ситуации, изображенной на рис. 7. 7. Близнец В совершает космическое путешествие по замкнутому маршруту к звезде Арктур и обратно со скоростью v = 0, 99 с. Для наблюдателей на Земле расстояние до этой звезды 40 световых лет. 59
Определим возраст каждого из близнецов, когда В закончит свое путешествие и вернется обратно на Землю, если до начала путешествия им было по 20 лет. Рис. 7. 7 60
Согласно измерениям А, путешествие займет на 1% больше времени, чем требуется свету для преодоления расстояния до Арктура и обратно (80, 8 лет). Поэтому возраст близнеца А к моменту возвращения В составит 20 + 80, 8 = 100, 8 лет. Близнец А считает, что часы на космическом корабле идут в раз медленнее, чем на Земле. 61
Поэтому для В время космического путешествия составит всего лишь 80, 8 0, 141 = 11, 4 года, так что к моменту окончания путешествия близнецу В будет 20 + 11, 4 = 31, 4 года, и он окажется на 69, 4 лет моложе близнеца, оставшегося на Земле. 62
Однако имеет место кажущийся парадокс. Действительно, если движение и скорость в самом деле относительны, то как вообще можно прийти к несимметричному результату для А и В? Разве из соображений симметрии не ясно, что оба близнеца должны иметь один возраст в конце путешествия? На первый взгляд кажется, что теория Эйнштейна приводит к противоречию. 63
Парадокс устраняется, если заметить, что проблеме присуща внутренняя асимметрия. Близнец на Земле всегда остается в одной и той же инерциальной системе отсчета, тогда как космонавт, поворачивая обратно к Земле, меняет ее. 64
На обратном пути к Земле вследствие «синего смещения» , связанного с эффектом Доплера, увеличение частоты оказывается сильнее эффекта замедления времени. И, как следствие, время, показанное путешественниками будет одинаковыми. 65
Имеются две пары вполне идентичных часов А и В. Частота их хода синхронизована и период «тиканья» = L/c. ( рис. 2, а) Рис. 2 66
4. Сложение скоростей в релятивистской механике Пусть тело внутри космического корабля движется со скоростью и сам корабль движется с такой же скоростью Чему равна скорость тела относительно Земли? Используем для рассмотрения примера рисунок 8. 2. 67
Классическая механика ответит на этот вопросто: в соответствии с преобразованиями Галилея, скорость тела относительно Земли будет: что, конечно же противоречит положению СТО о том, что скорость света является предельной скоростью переноса информации, вещества и взаимодействий:
Оценим скорость тела, используя преобразования Лоренца. Внутри корабля перемещение dx’ за время dt’ равно Найдем dx и dt с точки зрения наблюдателя на Земле, исходя из преобразований Лоренца: (8. 4. 8) (8. 4. 9) 69
Так как то: (8. 4. 10) Эта формула выражает правило сложения скоростей в релятивистской кинематике. 70
Подсчитаем скорость тела в нашем примере в соответствии полученной формулой: Полученный результат не противоречит положению СТО о предельности скорости света. 71
При медленных движениях, когда получаем нерелятивистские формулы, соответствующие преобразованиям Галилея. (Проверить самостоятельно) Если движение происходит со скоростью света, то (8. 4. 11) 72
Полученные формулы сложения скоростей запрещают движение со скоростью больше скорости света. Уравнения Лоренца преобразуют время и пространство так, что свет распространяется с одинаковой скоростью с точки зрения всех наблюдателей, независимо, двигаются они или покоятся. 73
8. 5. Релятивистская механика Релятивистское выражение для импульса Найдем такое выражение для импульса, чтобы закон сохранения импульса был инвариантен к преобразованиям Лоренца при любых скоростях (как мы уже говорили, уравнения Ньютона не инвариантны к преобразованиям Лоренца и закон сохранения импульса в k выполняется, а в k’ – нет). 74
Ньютоновское выражение импульса для Вот это выражение надо сделать инвариантным. Это возможно если в него будут входить инвариантные величины. 75
76
m m 0 0 С v 77
78
(8. 5. 2) Это и есть релятивистское выражение для импульса. Из (8. 5. 2) следует, что никакое тело не может двигаться со скоростью большей или даже равной скорости света (при знаменатель стремится к нулю, тогда что невозможно в силу закона сохранения импульса). 79
80
Релятивистское выражение для энергии По определению – импульс релятивистской частицы, а скорость изменения импульса равна силе, действующей на частицу Работа силы по перемещению частицы идет на увеличение энергии частицы: 81
После интегрирования этого выражения получим релятивистское выражение для энергии частицы: (8. 5. 3) где Е – полная энергия. При в системе координат, где частица покоится, выражение (8. 5. 3) преобразуется: (8. 5. 4) – энергия покоя частицы. 82
83
Именно утверждение о том, что в покоящейся массе (материи) огромные запасы энергии, является главным практическим следствием СТО E 0 – внутренняя энергия частицы (учитывающая все). Полная энергия в теории относительности складывается из энергии покоя и кинетической энергии (К). Тогда 84
Справедливость теории проверяется принципом соответствия: при 85
Получим еще одно очень важное соотношение, связывающее полную энергию с импульсом частицы. Из уравнения получим: Таким образом, получили инвариантное 86 выражение, связывающее энергию и импульс.
8. 6. Взаимосвязь массы и энергии покоя Масса и энергия покоя связаны соотношением: (8. 6. 1) из которого вытекает, что всякое изменение массы m сопровождается изменением энергии покоя ΔE 0. Это утверждение носит название взаимосвязь массы и энергии покоя и 87 стало символом современной физики.
Взаимосвязь между массой и энергией оценивалась А. Эйнштейном как самый значительный вывод специальной теории относительности. По его выражению, масса должна рассматриваться как «сосредоточение колоссального количества энергии» . При этом масса в теории относительности не является более сохраняющейся величиной, а зависит от выбора системы отсчета и характера взаимодействия между частицами. 88
Определим энергию, содержащуюся в 1 г. любого вещества, и сравним ее с химической энергией, получаемой при сгорании 1 г. угля равной. Согласно уравнению Эйнштейна имеем Таким образом, собственная энергия в 3, 1· 108 раз превышает химическую энергию. Из этого примера видно, что если высвобождается лишь одна тысячная доля собственной энергии, то и это количество в миллионы раз больше того, что могут дать 89 обычные источники энергии.
При взаимодействии частиц суммарная масса взаимодействующих частиц не сохраняется. Пример: пусть две одинаковые по массе частицы m движутся с одинаковыми по модулю скоростями навстречу другу и абсолютно неупруго столкнутся. До соударения полная энергия каждой частицы Е равна: Полная энергия образовавшейся частицы (эта новая частица имеет скорость Из закона сохранения энергии: ). 90
откуда М равно: (8. 6. 2) Таким образом, сумма масс исходных частиц 2 m, меньше массы образовавшейся частицы М! В этом примере, кинетическая энергия частиц превратилась в эквивалентное количество энергии покоя, а это привело к 91 возрастанию массы
(это при отсутствии выделения энергии при соударении частиц). Выражение «масса покоя» можно употребить как синоним «энергия покоя» . Пусть система (ядро) состоит из N частиц с массами m 1, m 2…mi. Ядро не будет распадаться на отдельные частицы, если они связаны друг с другом. Эту связь можно охарактеризовать энергией связи Eсв. 92
Энергия связи – энергия которую нужно затратить, чтобы разорвать связь между частицами и разнести их на расстояние, при котором взаимодействием частиц друг с другом можно пренебречь: (8. 6. 3) где ΔМ – дефект массы. Видно, что Есв будет положительна, если 93
94
95
Это и наблюдается на опыте. При слиянии частиц энергия связи высвобождается (часто в виде электромагнитного излучения). Например, ядро U 238 имеет энергию связи Eсв = 2, 9 10– 10 Дж 1, 8 109 э. В = 1, 8 Гэ. В. 96
97
Ядерные реакции Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, приводящий к преобразованию исходного ядра. Например: Это реакция взаимодействия протона с ядром лития. Реакция протекает с выделением энергии. 98
В ядерной энергетике большой практический интерес имеют реакции с участием нейтронов, в частности, реакция деления ядер Реакция протекает при захвате ядрами медленных нейтронов. Ядра иттрия и йода – это осколки деления. Ими могут быть и другие ядра. 99
Характерно, что в каждом акте деления возникает 2 – 3 нейтрона, которые могут вызвать деление других ядер урана, причем, также с испусканием нейтронов. В результате количество делящихся ядер стремительно нарастает. Возникает цепная ядерная реакция с выделением большого количества энергии. 100
х В процессе деления ядро изменяет форму последовательно проходит через следующие стадии : шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. 101
х 102 При каждом делении вылетают 2 или 3 нейтрона
Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления атомных ядер, называется ядерным реактором. Его основные элементы: ядерное топливо, замедлитель нейтронов, теплоноситель для отвода тепла и устройство для регулирования скорости реакции. 103
х Первая атомная электростанция мощностью 5 МВт была построена пущена в СССР 27. 6. 1954 г. 104 г. в Обнинске
105
106
Конструктивная схема реактора на быстрых нейтронах типа БН-600 Корпусной – интегральная компоновка. Топливо – высокообогащенная двуокись урана (до 21% по урану 235 U). Теплоноситель – жидкий Na. Тип твэлов – стержневые. 107
Реакторы типа ВВРд (PWR) 108
х Неуправляемая ядерная реакция – ядерный взрыв 109
110
Термоядерные реакции – это реакции синтеза легких ядер, протекающие при очень высоких температурах. Высокие температуры необходимы для сообщения ядрам энергии, достаточной для того, чтобы сблизиться до расстояния, сравнимого с радиусом действия ядерных сил: (10– 15 м). 111
Энергия, выделяющаяся в процессе термоядерных реакций в расчете на один нуклон, существенно превышает удельную энергию, выделяющуюся в процессе реакций деления тяжелых ядер. Так, при синтезе тяжелого водорода – дейтерия, со сверхтяжелым изотопом водорода – тритием, выделяется энергия около 3, 5 Мэ. В на один нуклон, в то время как в процессе деления ядер урана, выделяется примерно 0, 85 Мэ. В энергии на один нуклон. 112
Термоядерная реакция синтеза дейтерия с тритием: наиболее перспективна в плане получения практически неисчерпаемого источника энергии. Однако, осуществление такой реакции в управляемом режиме, равно как и других реакций синтеза, в настоящее время является пока проблемной задачей, хотя успехи в этом направлении несомненны. В настоящее время уже получена плазма, температура которой порядка 2· 108 К, а время удержания не менее 2 с при 113 выделяемой мощности до 2 МВт.
В настоящее время, в рамках осуществления мировой термоядерной программы, интенсивно разрабатываются новейшие системы типа токамак. 114
На рисунке 4. 12 изображена схема токамака: 1 – первичная обмотка трансформатора; 2 – катушки тороидального магнитного поля; 3 – лайнер, тонкостенная внутренняя камера для выравнивания тороидального электрического поля; 4 – катушки тороидального магнитного поля; 5 – вакуумная 115 камера; 6 – железный сердечник (магнитопровод).
х 116
Есть надежда, что термоядерный реактор практического применения будет создан уже в 117 первой четверти XXI века.
При ядерных реакциях выделяется в виде энергии не более 0, 1 % массы вещества. Полностью энергия покоя выделяется только при аннигиляции, в виде электромагнитного излучения, как например, при аннигиляции электрона и позитрона 118
119
120
121
122
123
Выставка Эйнштейна — Great Works II
«Четыре человека, заложившие основы физики, на которых Я смог построить свою теорию…»
Еще в 1907 году, когда Эйнштейн и другие исследовали последствия своей специальной теории относительности, он уже думал о более общая теория.Специальная теория показала, как соотносить измерения, сделанные в одной лаборатории, к измерениям, сделанным в другой лаборатории, движущейся равномерно относительно первая лаборатория. Мог ли он расширить теорию, чтобы иметь дело с лабораториями? двигаться произвольным образом, ускоряясь, замедляясь, меняя направление? Эйнштейн видел возможную связь между таким ускоренным движением и Знакомая сила тяжести.Он был впечатлен фактом, известным Галилею и Ньютону, но не был полностью оценен до Эйнштейна озадачился этим. Все тела, какими бы разными они ни были, если их освободить от одна и та же высота будет падать с точно таким же постоянным ускорением (при отсутствии сопротивления воздуха). Как инвариантная скорость света, на котором Эйнштейн основал свою специальную теорию относительности, здесь была инвариантность, которая могла бы стать отправной точкой для теории.
«Физик не может просто сдаться философ критическое осмысление теоретических основ; ибо он сам лучше знает и лучше всего чувствует, где находится башмак. щипки… он должен попытаться уяснить себе, как именно насколько понятия, которыми он пользуется, оправданы… Вся наука есть не что иное, как усовершенствование повседневного мышления.
Как он часто делал в своей работе, Эйнштейн использовал «мысленный эксперимент». Предположим, что ученый заключен где-то в большом ящике, и что он выпускает камень. Ученый видит, как камень падает на пол коробки с постоянным ускорением. Он мог бы заключить что его коробка находится в месте, где есть сила тяжести, притягивающая вниз.Но это может быть неправдой. Вся коробка может быть бесплатной от силы тяжести, но с ускорением вверх в пустом пространстве на ракете: камень мог стоять неподвижно, а пол поднимался ему навстречу. То Эйнштейн заметил, что физик в ящике не может отличить между двумя случаями. Поэтому должна быть какая-то глубокая связь между ускоренным движением и силой тяжести. Осталось отработать эту связь.
Эйнштейн начал искать частные уравнения — те, которые связывали бы измерения, сделанные двумя наблюдателями которые движутся произвольным образом относительно друг друга. Поиски были тяжелыми, целые годы прошли в тупиковых переулках. Эйнштейну пришлось овладеть более сложными математическими методами, чем он когда-либо ожидал, что понадобится, и работать на более высоком уровне абстракции чем когда-либо прежде.Его друг Мишель Здесь Бессо оказал решающую помощь. Между тем жизнь его была неустроена. Он отделился от жены. И он стал участвовать в политике после того, как разразилась Первая мировая война.
«Я только что закончил прекраснейшую работу моей жизни…»
—своему сыну Гансу Альберту, 1915 г.
Успех в его теоретической работе был закреплен в 1915 год.Новые уравнения гравитации имели существенное логическое простота, несмотря на их незнакомую математическую форму. Описать действие гравитации, уравнения показали, как присутствие материи исказила саму структуру пространства и времени. Этот деформация будет определять, как объект перемещается. Эйнштейн испытал свою теорию, правильно рассчитав небольшое несоответствие в движение планеты Меркурий, несоответствие, которое астрономы долго не мог объяснить.
Перейти к основному содержанию Поиск
Поиск
- Где угодно
ПоискПоиск
Расширенный поиск- Войти | регистр
- Подписаться / REVALE
- Учреждения
- Индивидуальные подписки
- Индивидуальные продления
- библиотекарей
- Тарифы, заказы и платежи
- Chicago Package
- Full Run и Contity Coverage
- KBART файлы и RSS-каналы
- Разрешения и перепечатки
- Чикаго развивающиеся страны Инициатива
- Disatch Dates и Prets
- Библиотекарь FAQ
- Тарифы, заказы, и платежи
- Complete Chicago Package
- Pull Package
- Полный пробег и контент
- Disatch Dates и PRESTS
- 2 О Чикаго Журналы
- Подпишитесь на уведомления eTOC
- Пресс-релизы
- СМИ
- Издательство Чикагского университета
- Чикагский распределительный центр
- Чикагский университет
- Положения и условия
- Заявление об этике публикации
- Уведомление о конфиденциальности
- Доступность Chicago Journals
- Доступность университета
- Следуйте за нами на facebook
- Подпишитесь на нас в Твиттере
- Открытый доступ в Чикаго
- Связаться с нами
- Медиа и рекламные запросы
- Следуйте за нами на facebook
- Подпишитесь на нас в Твиттере
Галилей —Величайшие Мыслители Величайшие Умы
Галилео Галилей (15 февраля 1564 — 8 января 1642) — итальянский астроном, философ и физик, тесно связанный с научной революцией.Его называют «отцом современной астрономии» (титул, на который Кеплер, возможно, имеет более сильное право), «отцом современной физики» и «отцом науки». Его экспериментальная работа широко считается дополнением к трудам Бэкона в создании современного научного метода. Галилей родился в Пизе, и его карьера совпала с карьерой Кеплера. Работа Галилея считается значительным отличием от работы Аристотеля; в частности, Галилей делал упор на количество, а не на качество.
Экспериментальная наука
В пантеоне научной революции Галилей занимает высокое положение благодаря своему новаторскому использованию количественных экспериментов с математическим анализом результатов. В то время в европейской мысли не было традиции таких методов; великий экспериментатор, непосредственно предшествовавший Галилею, Уильям Гилберт не использовал количественный подход. (Однако отец Галилея, Винченцо Галилей, проводил эксперименты, в ходе которых он обнаружил, возможно, старейшую из известных в физике нелинейных зависимостей между натяжением и высотой звука натянутой струны.)
В 20 веке реальность экспериментов Галилея оспаривалась некоторыми авторитетами, в частности выдающимся французским историком науки Александром Койре. Эксперименты, описанные в «Двух новых науках» для определения закона ускорения падающих тел, например, требовали точных измерений времени, что казалось невозможным с технологией 1600 года. Согласно Койре, закон был получен дедуктивно, а эксперименты были просто иллюстративными мысленными экспериментами.
Однако более поздние исследования подтвердили результаты экспериментов. Эксперименты с падающими телами (фактически катящимися шарами) были воспроизведены с использованием методов, описанных Галилеем (Settle, 1961), и точность результатов соответствовала отчету Галилея. Более поздние исследования неопубликованных рабочих документов Галилея еще в 1604 году ясно показали реальность экспериментов и даже указали на конкретные результаты, которые привели к закону квадрата времени (Drake, 1973).
Астрономия
Галилей был одним из первых, кто использовал телескоп для наблюдения за небом. Основываясь на схематических описаниях существующих телескопов, он сделал один с 8-кратным увеличением, а затем усовершенствовал модели примерно до 20-кратного. Он опубликовал свои первые телескопические наблюдения в марте 1610 года в коротком трактате под названием Sidereus Nuncius ( Sidereal Messenger ).
Открытие Галилео Галилеем спутников Юпитера.Это страница рукописи на итальянском языке, на которой Галилей впервые отметил наблюдения за лунами; их полное описание появилось в Sidereus Nuncius в марте 1610 г. Для перевода из Sidereus Nuncius нажмите на картинку.
В 1610 году Галилей открыл четыре крупнейших спутника (спутника) Юпитера: Ио, Европу, Ганимед и Каллисто. Он определил, что эти луны вращаются вокруг планеты, поскольку время от времени они исчезают; что-то он приписал их движению позади Юпитера.Он провел дополнительные наблюдения за ними в 1620 году. (Позже астрономы отвергли название этих объектов, данное Галилеем, изменив его 90 198 Медицианских звезд 90 199 на 90 198 галилеевых спутников 90 199 .) Демонстрация того, что у планеты есть планеты меньшего размера, вращающиеся вокруг нее, была проблематичной для упорядоченной, всеобъемлющей картины. геоцентрической модели Вселенной, в которой все вращается вокруг Земли.
Галилей заметил, что Венера имеет полный набор фаз, как и Луна. Поскольку видимая яркость Венеры почти постоянна, Галилей рассудил, что Венера не может вращаться вокруг Земли на постоянном расстоянии.Напротив, гелиоцентрическая модель Солнечной системы, разработанная Коперником, четко объясняет постоянную яркость по причине гораздо большего расстояния от Земли во время «полной Венеры», когда две планеты находились на противоположных сторонах Солнца. так что освещенное полушарие Венеры обращено к Земле.
Галилей провел первые европейские наблюдения солнечных пятен, хотя есть свидетельства того, что китайские астрономы сделали это до него. Само существование солнечных пятен указывало на еще одну трудность с совершенством небес, как предполагалось в старой философии.А годовые вариации их движения, впервые замеченные Франческо Сицци, представляли большие трудности как для геоцентрической системы, так и для системы Тихо Браге.
Он был первым, кто сообщил о лунных горах, существование которых он вывел из узоров света и тени на поверхности Луны. Он даже оценил их высоту по этим наблюдениям. Это привело его к выводу, что Луна была «шероховатой и неровной, как и поверхность самой Земли», а не идеальной сферой, как утверждал Аристотель.
Галилей наблюдал Нептун в 1611 году, но считал его звездой.
Физика
Теоретическая и экспериментальная работа Галилея о движении тел, наряду с в значительной степени независимыми работами Кеплера и Декарта, была предшественницей классической механики, разработанной сэром Исааком Ньютоном. Он был пионером, по крайней мере в европейской традиции, в проведении строгих экспериментов и настаивании на математическом описании законов природы.
Одна из самых известных историй о Галилее состоит в том, что он сбрасывал шары различной массы с Пизанской башни, чтобы продемонстрировать, что скорость их падения не зависит от их массы (исключая ограниченный эффект сопротивления воздуха). Это противоречило тому, чему учил Аристотель: тяжелые предметы падают быстрее, чем более легкие, прямо пропорционально их весу. Хотя история о башне впервые появилась в биографии ученицы Галилея Вивиани, сейчас ее не считают правдой.Однако Галилей провел эксперименты с шарами, катящимися по наклонным плоскостям, которые показали то же самое. Он установил правильный математический закон ускорения: общее пройденное расстояние, начиная с состояния покоя, пропорционально квадрату времени. Он пришел к выводу, что падающие объекты ускоряются независимо от их массы и что объекты сохраняют свою скорость, если на них не действует сила.
Галилей также заметил, что колебания маятника всегда занимают одинаковое количество времени, независимо от амплитуды.Хотя Галилей считал это равенство периодов точным, оно лишь приблизительное, применимое к небольшим колебаниям. Однако этого достаточно, чтобы отрегулировать часы, как, возможно, первым понял Галилей. (См. Технология.)
В начале 1600-х годов Галилей и его помощник пытались измерить скорость света. Они стояли на разных вершинах холмов, и у каждого в руках был фонарь с закрытыми ставнями. Галилей открывал затвор, и как только его помощник видел вспышку, он открывал затвор.На расстоянии менее мили Галилей не мог обнаружить задержки во времени туда и обратно больше, чем когда он и помощник находились всего в нескольких ярдах друг от друга. Хотя он не мог сделать вывод о том, распространяется ли свет мгновенно, он понял, что расстояние между вершинами холмов, возможно, слишком мало для хорошего измерения.
Математика
Хотя применение Галилеем математики к экспериментальной физике было новаторским, его математические методы были стандартными в то время.Анализы и доказательства в значительной степени опирались на евдоксианскую теорию пропорций, изложенную в пятой книге «Начал» Евклида. Эта теория стала доступной всего столетие назад благодаря точным переводам Тартальи и других; но к концу жизни Галилея он был вытеснен алгебраическими методами Декарта, которым современному человеку следовать несравненно легче.
Галилей создал одну оригинальную и даже пророческую работу по математике: парадокс Галилея, который показывает, что существует столько же полных квадратов, сколько и целых чисел, хотя большинство чисел не являются идеальными квадратами.С такими кажущимися противоречиями удалось справиться 250 лет спустя в работе Георга Кантора.
Технология
Галилей внес несколько вкладов в то, что мы сейчас называем технологией в отличие от чистой физики, и предложил другие. Это не то различие, которое делал Аристотель, который рассматривал всю физику Галилея как techne или полезное знание, в отличие от episteme , или философского исследования причин вещей.
В 1595–1598 годах Галилей разработал и усовершенствовал «Геометрический и военный компас», пригодный для использования артиллеристами и геодезистами. Это расширило возможности более ранних инструментов, разработанных Тартальей и Гвидобальдо. Для артиллеристов он предлагал, помимо нового и более безопасного способа точного подъема пушки, способ быстрого расчета заряда пороха для пушечных ядер разных размеров и материалов. В качестве геометрического инструмента он позволял строить любой правильный многоугольник, вычислять площадь любого многоугольника или кругового сектора и выполнять множество других вычислений.
Приблизительно в 1606–1607 годах (или, возможно, раньше) Галилей изготовил термометр, используя расширение и сжатие воздуха в колбе для перемещения воды в прикрепленной трубке.
В 1610 году он использовал телескоп в качестве составного микроскопа, а в 1623 году и позже создал улучшенные микроскопы. Похоже, это первое четко задокументированное использование составного микроскопа.
В 1612 г., определив периоды обращения спутников Юпитера, Галилей предположил, что при достаточно точном знании их орбит можно использовать их положение как универсальные часы, и это сделает возможным определение долготы.Он работал над этой проблемой время от времени в течение всей оставшейся жизни; но практические проблемы были непреодолимыми, и прошло еще столетие, прежде чем Джон Харрисон освоил долготу с помощью своего хронометра.
На последнем курсе, будучи полностью слепым, он разработал спусковой механизм для маятниковых часов. Первые полноценные маятниковые часы были изготовлены Гюйгенсом в 1650-х годах.
Он создал наброски различных изобретений, таких как комбинация свечи и зеркала для отражения света по всему зданию, автоматический сборщик помидоров, карманная расческа, которая также служит столовым прибором, и то, что похоже на шариковую ручку.
Церковный спор
Галилей был набожным католиком, однако его труды о гелиоцентризме Коперника возмутили католическую церковь, которая верила в геоцентрическую модель солнечной системы. Церковь утверждала, что гелиоцентризм находится в прямом противоречии с Библией и высоко почитаемыми древними писаниями Аристотеля и Платона. За свои идеи Галилею угрожали смертью на костре, и в конечном итоге ему грозил пожизненный домашний арест после того, как он отказался от своих утверждений.
Геоцентрическая модель была общепринятой в то время не только по библейским причинам. Ко времени разногласий католическая церковь фактически отказалась от модели Птолемея в пользу модели Тихона, в которой Земля находилась в центре Вселенной, Солнце вращалось вокруг Земли, а другие планеты вращались вокруг Солнца. Эта модель геометрически эквивалентна модели Коперника и имела дополнительное преимущество, заключавшееся в том, что она не предсказывала параллакса звезд, эффект, который невозможно было обнаружить с помощью инструментов того времени.
Понимание противоречий, если это вообще возможно, требует внимания не только к политике религиозных организаций, но и к политике академической философии. До того, как у Галилея возникли проблемы с иезуитами и до того, как доминиканский монах Каччини осудил его с кафедры, его работодатель услышал, как профессор философии Козимо Боскалья, который не был ни богословом, ни священником, обвинил его в противоречии Писанию. Первым, кто защитил Галилея, был бенедиктинский аббат Бенедетто Кастелли, который также был профессором математики и бывшим учеником Галилея.Именно этот обмен мнениями побудил Галилея написать Письмо Великой княгине Кристине . (Кастелли остался другом Галилея, навещая его в Арчетри ближе к концу жизни Галилея, после нескольких месяцев попыток получить на это разрешение Инквизиции.)
Однако реальная власть принадлежала Церкви, и аргументы Галилея наиболее ожесточенно оспаривались на религиозном уровне. Историк конца девятнадцатого и начала двадцатого века Эндрю Диксон Уайт писал с антиклерикальной точки зрения:
Война становилась все острее.Отец-доминиканец Каччини произнес проповедь из текста: «Мужи Галилеи, что вы стоите и смотрите на небо?» и этот жалкий каламбур над именем великого астронома привел к более острому оружию; ибо, прежде чем Каччини закончил, он настаивал на том, что «геометрия — от дьявола» и что «математики должны быть изгнаны как авторы всех ересей». Церковные власти дали Каччини продвижение по службе. Отец Лорини доказал, что учение Галилея было не только еретическим, но и «атеистическим», и просил инквизицию вмешаться.Епископ Фьезоле яростно кричал на систему Коперника, публично оскорблял Галилея и доносил на него великому герцогу. Архиепископ Пизы тайно пытался заманить Галилея в ловушку и доставить его инквизиции в Рим. Архиепископ Флорентийский торжественно осудил новые доктрины как небиблейские; а Павел V, лаская Галилея и приглашая его как величайшего астронома мира посетить Рим, тайно побуждал архиепископа Пизы собрать доказательства против астронома.Но, безусловно, самым ужасным защитником, который появился сейчас, был кардинал Беллармин, один из величайших богословов, которых знал мир. Он был серьезен, искренен и образован, но настаивал на том, чтобы наука соответствовала Писанию. Оружие, которым пользовались люди типа Беллармина, было чисто теологическим. Они представили миру ужасные последствия, к которым должно привести христианское богословие, если будет доказано, что небесные тела вращаются вокруг Солнца, а не вокруг Земли. Их самым мощным догматическим двигателем было заявление о том, что «его мнимое открытие подрывает весь христианский план спасения.Отец Леказр заявил, что «это ставит под сомнение учение о воплощении». Другие заявляли: «Это подрывает все основы богословия. Если Земля есть планета, и только одна из нескольких планет, то не может быть, чтобы специально для нее были сделаны такие великие дела, как учит христианское учение. Если есть другие планеты, то, поскольку Бог ничего не творит напрасно, они должны быть обитаемы; но как их жители могут быть потомками Адама? Как они могут проследить свое происхождение от Ноева ковчега? Как они могли быть искуплены Спасителем?» И этот аргумент не ограничивался теологами Римской церкви; Меланхтон, будучи протестантом, уже использовал его в своих нападках на Коперника и его школу.(Уайт, 1898 г.; онлайн-текст)
В 1616 году инквизиция предупредила Галилея, чтобы он не придерживался и не защищал гипотезу, изложенную в книге Коперника «О революциях» , хотя обсуждалось, увещевали ли его «не преподавать каким-либо образом» гелиоцентрической теории. Когда Галилея судили в 1633 году, инквизиция исходила из того, что ему было приказано вообще не преподавать, основываясь на документе в записях от 1616 года; но Галилей предъявил письмо кардинала Беллармина, в котором указывался только приказ «держать или защищать».Последний написан собственноручно Беллармином и имеет несомненную подлинность; первая представляет собой неподписанную копию, нарушающую собственное правило Инквизиции, согласно которому запись такого предупреждения должна быть подписана всеми сторонами и нотариально заверена. Оставляя в стороне технические правила доказывания, какой вывод можно сделать о реальных событиях? Есть две школы мысли. По словам Стиллмана Дрейка, приказ не учить был отдан неофициально и ненадлежащим образом; Беллармин не позволил сделать официальную запись и письменно заверил Галилея, что единственный действующий приказ — не «защищать и не удерживать».Однако, по словам Джорджио ди Сантильяна, протокол без подписи был просто сфабрикован инквизицией.
Несмотря на то, что он постоянно настаивал на том, что его работа в этой области носила чисто теоретический характер, несмотря на его строгое соблюдение церковного протокола публикации произведений (что требовало предварительной проверки церковными цензорами и последующим разрешением), и несмотря на его близкую дружбу с Маффео Барберини, который позже стал папой Урбаном VIII и председательствовал на протяжении всего испытания, Галилей был вынужден неоднократно отрекаться от своих взглядов и был помещен под пожизненный домашний арест с 1633 по 1642 год.
Инквизиция отклонила более ранние просьбы Галилея отложить или перенести суд из-за его плохого состояния здоровья. На собрании под председательством папы Урбана VIII инквизиция решила уведомить Галилея, что либо он должен явиться в Рим, либо что он будет арестован и доставлен туда в цепях. Галилей прибыл в Рим для суда перед инквизицией 13 февраля 1633 года. После двухнедельного карантина Галилей был задержан в комфортабельной резиденции посла Тосканы в качестве услуги влиятельному великому герцогу Фердинанду II Медичи.В апреле 1633 года он был официально допрошен инквизицией. Его не посадили в карцер, а продержали в комнате в кабинетах инквизиции 22 дня.
22 июня 1633 года римская инквизиция начала суд над Галилеем, которому тогда было 69 лет и который умолял о помиловании, указывая на его «прискорбное состояние физического нездоровья». Угрожая ему пытками, тюремным заключением и смертью на костре, показательный суд вынудил Галилея «отречься, проклясть и ненавидеть» его работу и пообещать осудить других, кто придерживался его прежней точки зрения.Галилей делал все, о чем его просила церковь. То, что угроза пыток и смерти, с которой столкнулся Галилей, была реальной, было доказано церковью в более раннем процессе над Джордано Бруно, который был сожжен на костре в 1600 году за натуралистическое представление о Вселенной.
Рассказ о том, что Галилей, поднявшись с колен после отречения, сказал: «Eppur si muove!» (Но он движется!) никак не может быть правдой; сказать что-либо подобное в конторе инквизиции означало последовать за Бруно на костер.Но широко распространенное мнение, что весь этот инцидент является выдумкой 18-го века, также неверно. На испанской картине, датированной 1643 или, возможно, 1645 годом, Галилей пишет эту фразу на стене темницы. Здесь мы имеем вторую версию истории, которая также не может быть правдой, потому что Галилея никогда не заключали в темницу; но картина показывает, что некая история «Eppur si muove» циркулировала во времена Галилея. В первые месяцы после своего осуждения Галилей жил с архиепископом Сиены Асканио Пикколомини, ученым человеком и сочувствующим хозяином; тот факт, что брат Пикколомини был военным атташе в Мадриде, где картина была написана несколько лет спустя, предполагает, что архиепископ, возможно, рассказал историю своей семье, и позже она была искажена в устной традиции.
Галилей был приговорен к тюремному заключению, но из-за его преклонного возраста (и/или церковной политики) приговор был заменен домашним арестом на его виллах в Арчетри и Флоренции[1]. Из-за болезненной грыжи он просил разрешения проконсультироваться с врачами во Флоренции, в чем Рим отказал, предупредив, что дальнейшие такие просьбы приведут к тюремному заключению. Под арестом его заставляли регулярно читать пенитенциарные псалмы, а его социальные контакты временами сильно ограничивались, но ему разрешили продолжить свои менее спорные исследования.
Публикация — другое дело. Его Диалог был внесен в Index Librorum Prohibitorum , официальный черный список запрещенных книг, где он оставался до 1822 года (Hellman, 1998). Хотя приговор, вынесенный Галилею, не упоминал никаких других произведений, Галилей через два года узнал, что публикация всего, что он когда-либо мог написать, была тайно запрещена. Запрет действовал во Франции, Польше и Германии, но не в Нидерландах.
Он полностью ослеп в 1638 году (его ходатайство перед инквизицией об освобождении было отклонено, но ему разрешили переехать в свой дом во Флоренции, где он был ближе к своим врачам).
Согласно Эндрю Диксону Уайту и многим его коллегам, опыт Галилея демонстрирует классический случай, когда ученый был вынужден отказаться от научных выводов, потому что они оскорбляли могущественные консервативные силы в обществе: для церкви того времени это не было научным методом. это должно быть использовано для поиска истины — особенно в определенных областях — но доктрина в том виде, в каком она интерпретируется и определяется церковными учеными, и эта доктрина защищалась пытками, убийствами, лишением свободы и цензурой.
В последнее время точка зрения Уайта и его коллег стала менее общепринятой в академическом сообществе, отчасти потому, что Уайт писал с точки зрения христианства как разрушительной силы. Это отношение можно увидеть и в произведениях Бертольта Брехта, чья пьеса о Галилее является одним из главных источников популярных представлений об ученом. Более того, более глубокое изучение первоисточников о Галилее и суде над ним показывает, что утверждения о пытках и лишениях, вероятно, были преувеличены.Книга Давы Собель «Дочь Галилея » предлагает иной набор взглядов на Галилея и его мир, в значительной степени благодаря частной переписке Марии Селесты, дочери этого титула, и ее отца.
В 1992 году, через 359 лет после суда над Галилеем, Папа Иоанн Павел II принес извинения, отменив эдикт инквизиции против Галилея: «Галилей ощутил в своих научных изысканиях присутствие Творца, который, шевеля в глубинах его духа, стимулировал его, предвосхищая и помогая его интуиции.После обнародования этого доклада Папа сказал далее, что «…Галилей, искренне верующий, показал себя более проницательным в этом отношении [соотношение научных и библейских истин], чем богословы, противостоявшие ему».
Сочинения Галилея
- Диалог о двух Главных Мировых Системах
- Звездный (Звездный) Посланник
- Письмо Великой Княгине Кристине
См. также: Преобразование Галилея, уравнения преобразования Лоренца
Ссылки
- Дрейк, Стиллман (1973).«Открытие Галилеем закона свободного падения». Scientific American , т. 228, № 5, стр. 84–92.
- Дрейк, Стиллман (1978). Галилей за работой . Чикаго: Издательство Чикагского университета. ISBN 0-226-16226-5
- Хеллман, Хэл (1988). Великие распри в науке. Десять самых оживленных споров всех времен 90 199 . Нью-Йорк: Wiley, 1998. .
- Сетл, Томас Б. (1961). «Эксперимент в истории науки». Наука , 133:19-23.
- Уайт, Эндрю Диксон (1898 г.). История войны науки с теологией в христианском мире . Нью-Йорк, 1898 г. Текст, являющийся общественным достоянием, полная онлайн-версия.
Весь текст доступен на условиях лицензии GNU Free Documentation License (подробности см. в разделе Авторские права). Отказ от ответственности. Википедия работает на MediaWiki, вики-движке с открытым исходным кодом.
Эксперимент Майкельсона-Морли.Свет, ты самая странная вещь, которую я… | by Wojciech Wieczorek
Свет, ты самая странная вещь, которую я когда-либо «видел».
В истории есть моменты, определяющие будущее на десятилетия и даже столетия. Коллективность многих людей запускает обратный отсчет до грядущей мировой революции. Последнее было между второй и первой половиной 19-го и 20-го веков, по крайней мере, в науке. Может показаться, что с тех пор наша цивилизация продвинулась вперед, но я бы не стал на этом заканчивать.Современные находки кажутся мне оттачивающими известное без стремления к неизвестному.
Но так и должно быть, потому что наука — это командная игра, в которую играют все вместе со всеми поколениями.
Я не лишаю нынешние дни ни волнения, ни волнения. Я лишь говорю, что вау-эффект сопровождает моменты возникновения уникальности. И я хотел бы испытать это.
Чтобы привести пример, я хотел бы увидеть момент, когда Эрнест Лоуренс запустил самый первый циклотрон, поскольку острые ощущения и озноб должны были выйти за пределы этой планеты.Что случится? Можем ли мы безопасно сделать это?
Может показаться, что это не имеет большого значения; но когда Большой адронный коллайдер должен был быть запущен в первый раз в 2008 году, возник спор, основанный на теоретических соображениях, что столкновение столь высокоэнергетических протонов может создать черную дыру, которая поглотит Землю — свергнутая работа Стивена Хокинга об испарении черных дыр.
Так что даже незнание опасности не означает, что она не прячется на виду.И это захватывающе.
В эксперименте Майкельсона-Морли угроза была не столь высока, но важность определения абсолютной скорости эфира была высока.
Принцип относительности (Галилео Галилей-> Исаак Ньютон-> (Альберт Эйнштейн, Хендрик Лоренц, Анри Пуанкаре)->)
Да, этот принцип зародился в уме Галилея раньше, чем в чьем-либо еще. Но он занимался геометрией, поэтому форму им придавал Ньютон. В течение десятилетий оно считалось правильным, но после вывода уравнения Максвелла и последовавших за ним экспериментов эта правильность рухнула, как только была обнаружена ошибка, и открылась дверь для «специальной теории относительности» Эйнштейна, которая связывает Эйнштейна, Лоренца и , и мысли Пуанкаре по этому поводу.И мне кажется, что это еще не последняя точка. Вероятно, все еще впереди, но держитесь и начните сначала, то есть с мысли Галилео Галилея.
Галилей был сторонником гелиоцентризма Коперника и противником Аристотеля, который знал, что Земля не является пупом Вселенной. В своей книге «Диалог о двух мировых системах вождей» он утверждал:
«Я должен думать, что любой, кто считает более разумным, чтобы вся вселенная двигалась, чтобы земля оставалась неподвижной, был бы более иррациональным, чем тот, кто должен взобраться на вершину вашего купола только для того, чтобы посмотреть на город и его окрестности, а затем потребовать, чтобы вся округа вращалась вокруг него, чтобы ему не приходилось утруждать себя поворотом головы.
— Галилео Галилей
Было бы трудно остаться нетронутым из-за глубины этой цитаты, из-за иррациональности тогдашних убеждений. Однако, когда он столкнулся с этой неправдой, «о чем вы говорите; ты псих», — в лучшем случае слышали все его уши. Жизнь Галилея была не усыпана розами, а полна шипов. Нелегкая задача быть единственным, кто знает, быть против всего мира. Но Галилей защищался силой своего разума, которая выдержит испытание временем.
Люди сказали ему: «Если это так, как вы говорите, мистер Галилей, если Земля, а не все небесные тела, находится в движении и вращается вокруг себя, то любой предмет, брошенный в небо, ударится о землю вдали от меня, потому что я бы отошел от него вместе с вращением Земли! Мистер Галилей, в этом нет никакого смысла!
Чтобы преодолеть эту трудность, Галилей предложил знаменитый корабельный эксперимент, в котором различные виды грузов, таких как сундуки и бабочки — материальные и живые существа — находятся под лодочной палубой, скорость движения которых не может измениться.По мере того, как корабль стабилизирует скорость, наблюдатели изучают, как грузы ведут себя под шлюпочной палубой. Бабочкам трудно летать или сундуки катаются по полу? Объекты движутся по непредсказуемым, странным траекториям? А может быть, все ведет себя так, как будто корабль стоит на месте?
И да, на корабле нет странных объектов.
Реальность определяет, что под шлюпочной палубой не происходит ничего странного. Это привело Галилея к принципу относительности, неразличимости физики в равномерно движущихся или неподвижных системах — Галилео Галилея, шедевр.
Позднее наступили времена Ньютона, когда он описал сцену, на которой Вселенная разыгрывает свою драму, как однородную, неизменную в пространстве и во времени вещь — евклидово пространство. Иными словами, что зрелище выглядит одинаково вне зависимости от того, где: в абсолютном пространстве и во времени.
Кроме того, Ньютон был также силовиком, который построил алгебраическую структуру движения в рамках трех законов. Они утверждают, что для изменения движения объекта необходимо приложить силу (второй закон.) Благодаря чему без всякого движения объект сохраняет свое состояние либо отсутствия, либо равномерной скорости (первый закон). И третий, что каждое действие вызывает противодействие равной величины и противоположного знака.
Внимательный взгляд увидит, что первый закон движения описывает тот же самый принцип относительности — только силами. В сочетании с ньютоновским представлением о Вселенной предполагается, что неопределимым является определение того, находитесь ли вы в движении или нет, не высовывая головы. Все, что вы можете сказать и измерить, — это относительное движение объектов, заключенных в системе.Что смешнее, как только вы высунете голову, ваш домен не изменится. Все по-прежнему родное, только другой (внешней) системе.
Преобразование Галилея-Ньютона
Преобразование для любых двух систем отсчета связывает их координаты. Галилеево-ньютоновская применима и предназначена для тех, кто подчиняется принципу относительности.
Пересмотр эксперимента с кораблем Галилея может помочь понять и позволить этой идее укорениться в мозгу. Для этого представьте, что два наблюдателя назначены на две разные системы отсчета: один — на горловину лодки (S’), а другой — на морской порт (S.) Напоминая, что обе системы изначально совпадают друг с другом (корабль стоит в порту) и что время начинается с отплытия.
Со временем лодка отплывает с относительной скоростью v, т. е. расстояние между системами отсчета равно vt.
Преобразование Галилея-Ньютона. (собственная работа)Преобразование системы отсчета тогда определяется как:
И это преобразование Галилея-Ньютона. Какая цель состоит в том, чтобы понять, что физика неизменна независимо от того, двигаетесь ли вы равномерно или стоите на месте.Никакой механический эксперимент не может сказать вам, к какой системе отсчета вы относитесь. В морском порту и под шлюпочной палубой одинаково катится бочка с вином. Действительно, применение 2-го закона Ньютона дает обратно:
Таким образом, у моряков нет другого способа определить, движется корабль равномерно или стоит на месте, кроме как смотреть наружу.
Уравнения Максвелла (Джеймс Клерк Максвелл, Майкл Фарадей, Карл Фридрих Гаусс, Андре-Мари Ампер)
Что мне не нравится в науке (хотя я знаю, что так и должно быть), так это плоскостность в оценке открытий .Уравнения Максвелла, несомненно, написаны им в окончательном виде, но он взял их не на ровном месте, навеянный мечтой. Нет. Работы всех в скобках завершились разработкой уравнений Максвелла. Если бы я приписал Максвеллу явное открытие, я бы сказал, что излучение — гениальная идея гениального ума, и для этой истории имеет смысл поговорить о ней немного.
Но перед этим.
Уравнения Максвелла заключают законы, управляющие электричеством и магнетизмом, в одну единую систему из 4 уравнений.
Интегральная форма уравнений Максвелла. (собственная работа) 1-я и 3-я.
Известны как законы Гаусса для электричества и магнетизма соответственно. Первый определяет, что полный электрический поток, проходящий через замкнутую поверхность, явно зависит от заряда, заключенного внутри. Оно выполняется до тех пор, пока сохраняется симметрия распределения заряда. Хорошая аналогия — резервуар, из которого выливается вода, скажем, на стол. Какие бы искусственные, закрытые границы ни придумали, количество проходящей воды одно на всех.А именно, вся вода проходит мимо — если соблюдается симметрия, это означает, что вода выливается из одного точечного источника.
Последнее говорит о том, что независимо от границ магнитный поток равен 0
, поскольку магниты представляют собой диполи — эквивалент воды, втекающей и вытекающей одинакового размера.
2-й.
Идентифицированный как закон Фарадея или закон индукции, как и все другие уравнения, он был получен на основе наблюдений.Он утверждает, что изменяющийся магнитный поток индуцирует электродвижущую силу в проводе и что ток, создаваемый этой силой, создает магнитное поле, противодействующее изменению магнитного потока, который его породил.
Одна или несколько зависимостей магнитного потока должны изменяться относительно провода, чтобы индуцировать в нем электродвижущую силу: напряженность магнитного поля, площадь или угол между ними.
Вы можете построить простую электрическую цепь с подключенной крошечной лампочкой и перемещать магнит внутрь и наружу, чтобы увидеть синусоидальное изменение яркости, или вы можете зафиксировать ее положение и вместо этого вращать цепь вокруг любой оси вращение.
Направление индуцированного тока приближающимся магнитом. (собственная работа)Электроэнергия, которая сегодня управляет экономикой, работает по этому правилу. От ископаемого топлива до атомных электростанций вырабатываемая энергия производит тепло, которое испаряет воду, приводящую в действие турбину, соединенную с электрическим генератором.
4-й.
Закон Ампера, являющийся в какой-то мере обратным закону Фарадея, поскольку он противоположным образом говорит о том, как создать магнитное поле из электрического поля. Без тока смещения, полученного Максвеллом для решения проблемы, в нем говорится, что присутствие электрического тока создает круговое магнитное поле.
В чем проблема?
Возникла проблема с идентификацией магнитного поля между обкладками зарядного конденсатора, поскольку ни один электрон не может пройти разделение без разряда. Но отсутствие электрического тока означает отсутствие магнитного поля, что не имеет смысла, как противоречащее экспериментам.
Проблема с пластинами конденсатора. (собственная работа)Закон Ампера для вышеуказанной петли без члена:
Это была проблема, о которой все знали, но именно Максвелл нашел выход из тупика.
Он утверждал, что, поскольку переменный магнитный поток индуцирует электрическое поле в проводе, возможно, что электрический делает то же самое с магнитным полем. Он дал ему название «ток смещения». Но оставим в покое номенклатуру, когда следующим следствием этой мысли является чистое золото, а именно излучение, проходящее между пластинами.
После этого добавления уравнения Максвелла согласуются друг с другом, представляя свое истинное лицо, описываемое выводимым из них волновым уравнением.Поскольку есть две стороны, магнитная и электрическая, неудивительно, что эта волна представляет собой комбинацию обеих сторон. Что так и происходит, описывает свет и выставляет его скорость независимой от движения источника, как и для звука. Очень похоже, что вы не услышите ни слова, сказанного вашим другом, если вы будете стоять лицом друг к другу на крыше самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, когда вы находитесь ближе к краю, обозначенному направлением полета; вы ничего не увидите на крыше сверхсветового самолета — если абсолютное пространство и время, указанные Ньютоном, верны.
Кажется само собой разумеющимся, что после введения совершенно нового закона хочется узнать, что там под капотом, например, применимо ли без противоречия преобразование Галилея-Ньютона.
А уравнений Максвелла там нет, а значит, они не преобразуются к тому же виду, подчиняясь принципу относительности. По крайней мере, в галилейско-ньютоновском смысле, который раньше касался только механических явлений. Кто знает, может быть, для света и излучения вообще этот принцип не выполняется — бесспорно, это проявляется в преобразовании уравнений, — а может быть, что-то не так?
Свет — электромагнитное явление, описываемое либо волнами, либо частицами: корпускулярно-волновой дуализм.Но уравнения Максвелла объясняют излучение как чистые волны, так что, очевидно, возникает вопрос, в какой среде они распространяются. И считалось, что это эфир, старая концепция, восходящая к временам Древней Греции, где и когда Платон называл его полупрозрачным «воздухом» для света; позже измененный Ньютоном, Бернулли и другими в свете совершенно новых открытий. Но главная мысль никогда не менялась, эфир — это то, в чем распространяется свет.
Итак, эфир пронизывает все абсолютное пространство и время; и является средой, через которую распространяется свет; кроме того, уравнения Максвелла не подчиняются принципу относительности при преобразовании Галилея-Ньютона и задают скорость света как независимую от движения источника.Если сложить два и два вместе, можно предположить, что эксперимент, связанный с движением Земли через гипотетический эфир, должен выявить абсолюты. Она должна быть как минимум равна орбитальной скорости Земли. Другими словами, должна быть возможность смотреть за пределы «корабля», не делая этого на самом деле.
Эксперимент Майкельсона-Морли был одним из многих, в которых его проверяли.
Рассмотрим конфигурацию,
Аппарат для эксперимента Майкельсона-Морли. (собственная работа), в котором источник излучает свет, который светоделитель разделяет на два луча.Отсюда, продолжая свой путь к двум зеркалам, расстояние до которых равно L. Они отражаются от зеркал и сходятся в детекторе, сравнивающем их фазы. Если световые лучи нуждаются в одном и том же времени, они конструктивно интерферируют в конце. Однако, если они хоть немного смещены, возникающая интерференция разрушительна (так и должно быть).
Перпендикулярная часть
Перпендикулярная часть эксперимента. (собственная работа)Стоит переписать правую часть уравнения, чтобы сразу увидеть, что оно представляет.Итак, делим числитель и знаменатель на c.
Теперь числитель указывает время, необходимое, если аппарат находится в состоянии покоя.
Параллельная часть
Луч на пути ко второму зеркалу:
Параллельная часть эксперимента, в которой луч идет к зеркалу. (собственная работа)И обратно от него:
Параллельная часть эксперимента, в которой луч возвращается обратно к детектору. (собственная работа)Суммирование и погружение правой части на c²:
С тем же значением числителя, что и для перпендикулярной части.
Результаты
Самоочевидно, что эти два времени различны, и со скоростью света в качестве верхнего предела любые другие обстоятельства, кроме покоящегося аппарата, приведут к меньшему времени для перпендикулярного движения, чем для параллельного. .
Однако детектор не зафиксировал разницы в фазах; результат был отрицательный. Физика оказалась в затруднительном положении. Если результат этого и других опытов того времени не позволял найти скорость Земли через эфир, а свет все-таки подчинялся принципу относительности, то это означало, что представление о пространстве как построенном из абсолютного пространства и времени было наивным и полным желаемого за действительное.Преобразование Галилея-Ньютона считалось правильным, но оказалось лишь приближением чего-то гораздо более фундаментального.
Отсюда стало ясно, что свет относителен, и новое преобразование должно занимать место у старого таким образом, чтобы это обеспечить. И к этому уравнения движения Ньютона должны быть адаптированы, чтобы они также оставались относительными.
Преобразование Хендрика Лоренца, предполагающее ракурс по направлению движения, победило трудности, все противоречия и осталось с согласием на эксперименты, вернув физике гармонию.
Не так уж сложно их вывести, но это отдельная история.
Страница не найдена — www.SpaceandMotion.com
И те, чьи сердца сосредоточены на Реальности
сами заслуживают звания философов.
(Платон, Республика, 380 г. до н.э.)
Дар Истины превосходит все другие дары. (Будда)
Мужчины иногда спотыкаются о правду,
но большинство из них берут себя в руки и спешат уйти, как ни в чем не бывало.
(Уинстон Черчилль)
Здравствуйте,
Кажется, в адресе веб-страницы, который вы использовали, произошла ошибка.
привел вас на эту страницу.
Основные ссылки см. слева на этой странице. Карты сайта по темам находятся внизу страницы.
И следующий виджет Google может помочь вам перейти на страницу, на которой вы были Ищу.
Спасибо за (попытку!) посетить наш сайт.
Биография: Джефф Хазелхерст
( Джордж Беркли , 1710) Ничто не кажется более важным, к созданию прочной системы надежных и реальных знаний, которая может быть доказательство против нападок скептицизма, чем положить начало четкое объяснение того, что имеется в виду под вещью, реальностью, существованием: ибо напрасно будем спорить о реальном существовании вещей или притворяться какому-либо знанию об этом, пока мы не установили значение этих слова.
Помогите человечеству
«Вы должны быть той переменой, которую хотите видеть в мире.»
(Мохандас Ганди)
«Когда вынуждены резюмировать общую теорию относительности в одном предложении:
Время, пространство и гравитация не существуют отдельно от материи. … Физические объекты не находятся в пространстве, но эти объекты пространственно протяженны . Таким образом, понятие «пустое пространство» теряет смысл. … Частица может появиться только как ограниченная область в пространстве, в которой
напряженность поля или плотность энергии особенно высоки. …
Свободный, беспрепятственный обмен идеями и научными выводами необходим для здорового развития науки, как и во всех сферах
культурной жизни. … Мы не должны скрывать от себя, что никакое улучшение нынешнего удручающего положения невозможно без
жестокая борьба; ибо горстка тех, кто действительно настроен что-то сделать, ничтожна по сравнению с массой теплохладных
и заблудших….
Чтобы выжить, человечеству понадобится кардинально новый образ мышления! » ( Альберт Эйнштейн )
Наш мир находится в большой беде из-за человеческого поведения, основанного на мифах и обычаях, которые вызывают разрушение природы и изменение климата. Теперь мы можем вывести самую простую научную теорию реальности — волновую структуру материи в пространстве. Понимая, как мы и все вокруг нас взаимосвязаны в Космосе мы можем вывести решения фундаментальных проблем человеческого знания в физике, философии, метафизике, теологии, образовании, здравоохранении, эволюции и экологии, политике и обществе.
Это глубоко новый способ мышления, который Эйнштейн осознали, что мы существуем как пространственно протяженные структуры вселенной — дискретное и отдельное тело иллюзия. Это просто подтверждает интуиции древних философов и мистиков.
Учитывая текущую цензуру в журналах по физике/философии науки (основанных на стандартной модели физики элементарных частиц/космологии большого взрыва), Интернет – лучшая надежда на получение новых знаний известны миру.Но это зависит от вас, людей, которые заботятся о науке и обществе, осознают важность правды и реальности.
Помочь легко!
Просто нажмите на ссылки социальных сетей ниже, или скопируйте красивое изображение или цитату, которая вам нравится, и поделитесь ею. У нас есть замечательная коллекция знаний от величайших умов в истории человечества, поэтому люди оценят ваш вклад. При этом вы поможете новому поколению ученых увидеть, что существует простое разумное объяснение физической реальности — источник истины и мудрости, единственное лекарство от безумия человека! Спасибо! Джефф Хазелхерст (обновлено в сентябре 2018 г.)
Новая научная истина побеждает не потому, что убеждает своих противников и заставляет их прозреть, а потому, что ее противники в конце концов умирают, и вырастает новое поколение, знакомое с ней.( Макс Планк , 1920)
Свяжитесь с Джеффом Хазелхерстом на Facebook
«Все, что необходимо для успеха зла, это чтобы хорошие люди ничего не делали.»
(Эдмунд Берк)
«Во времена всеобщего обмана говорить правду — это революционный поступок.»
(Джордж Оруэлл)
«Ад — это истина, увиденная слишком поздно».
(Томас Гоббс)
Экваториальная струя с магнитным приводом в океане Европы
Нойбауэр, Ф.М. Океаны внутри спутников Юпитера. Природа 395 , 749–750 (1998).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Khurana, K.K. et al. Индуцированные магнитные поля как свидетельство наличия подповерхностных океанов на Европе и Каллисто. Природа 395 , 777–780 (1998).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Sparks, W.B. et al.Переходный водяной пар на южном полюсе Европы. Наука 343 , 171–174 (2014).
Артикул Google ученый
Roth, L. et al. Активный криовулканизм на Европе. Астрофиз. Дж. Летт. 839 , L18 (2017).
Артикул Google ученый
Паппалардо, Р. Т. и др. Европейский океан? (Косвенные) геологические доказательства.В проц. Европейская океанская конференция . 59–60 (Исследовательский институт Сан-Хуана Капистрано, 1996 г.).
Паппалардо, Р. Т. и др. Есть ли на Европе подземный океан? Оценка геологических данных. Ж. Геофиз. Рез. 104 , 24015–24055 (1999).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Томсон, Р. Э. и Делани, Дж. Р. Доказательства слабо стратифицированного европейского океана, поддерживаемого потоком тепла с морского дна. Ж. Геофиз. Рез. 106 , 355–365 (2001).
Google ученый
Росс, М. Н. и Шуберт, Г. и др. Приливное нагревание в модели внутреннего океана Европы. Природа 325 , 133–134 (1987).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Спон, Т. и Шуберт, Г. Океаны на ледяных галилеевых спутниках Юпитера. Икар 161 , 456–467 (2003).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Биллс, Б. Г. Свободные и вынужденные наклоны галилеевых спутников Юпитера. Икар 175 , 233–245 (2005).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Тайлер, Р. Х. Сильный океанический прилив и нагрев спутников внешних планет. Природа 456 , 770–773 (2008).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Содерлунд, К. М., Шмидт, Б. Э., Вихт, Дж. и Бланкеншип, Д. Д. Нагрев ледяной оболочки Европы в низких широтах под действием океана. Нац. Geosci. 7 , 16–19 (2014).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Гудман, Дж. К., Коллинз, Г.К., Маршалл Дж. и Пьеррумбер Р.Т. Динамика гидротермального плюма на Европе: значение для образования хаоса. Ж. Геофиз. Рез. 109 , E03008 (2004).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Гудман, Дж. К. и Ленферинк, Э. Численное моделирование морских гидротермальных шлейфов для Европы и других ледяных миров. Икар 221 , 970–983 (2012).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Вэнс, С.и Браун, Дж. М. Послойная и двойная диффузионная конвекция в океане Европы. Икар 177 , 506–514 (2005).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Колберн, Д. С. и Рейнольдс, Р. Т. Электролитические токи в Европе. Икар 63 , 39–44 (1985).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Гайлитис А.и Лиелаусис, О. Нестабильность однородного распределения скоростей в МГД-машине индукционного типа. Магнитогидродинамика 11 , 69–79 (1976).
Google ученый
Редди, К.С., Фов, С. и Гиссинджер, К. Неустойчивости МГД-потоков, управляемых бегущими магнитными полями. Физ. Rev. Fluids 3 , 063703 (2018 г.).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Шиллинг, Н., Нойбауэр, Ф. М. и Саур, Дж. Изменяющееся во времени взаимодействие Европы с магнитосферой Юпитера: ограничения на проводимость подповерхностного океана Европы. Икар 192 , 41–55 (2007).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Хэнд, К. П. и Чиба, К. Ф. Эмпирические ограничения на соленость европейского океана и последствия для тонкой ледяной оболочки. Икар 189 , 424–438 (2007).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Campagne, A. et al. Турбулентное сопротивление во вращающейся системе отсчета. Дж. Жидкость. мех. 794 , Р5 (2016).
Артикул Google ученый
Гринберг, М. Скорость переноса радиолитических веществ в океан Европы: последствия для потенциального возникновения и поддержания жизни. Астробиология 10 , 3 (2010).
Артикул Google ученый
Sparks, W.B. et al. Поиск следов шлейфов на Европе с помощью HST/STIS. Астрофиз. J. 829 , 121 (2016).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Гринберг М. и Вайденшиллинг С. Как быстро вращаются галилеевские спутники? Икар 58 , 186–196 (1984).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Оджакангас, Г.У. и Стивенсон, Д. Дж. Полярное странствие ледяного панциря по Европе. Икар 81 , 242–270 (1989).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Хельфенштайн, П. и Парментье, Э. М. Модели разрушения и приливных напряжений из-за несинхронного вращения: последствия для разрушения на Европе. Икар 61 , 175–184 (1985).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Гайслер, П.и другие. Доказательства несинхронного вращения Европы. Природа 391 , 368–370 (1998).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Шенк, П., Мацуяма, И. и Ниммо, Ф. Истинное полярное блуждание по Европе из впадин малого круга глобального масштаба. Природа 453 , 368–371 (2008).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Грассе, О.и другие. Jupiter ICy moons Explorer (JUICE): миссия ЕКА на орбиту Ганимеда и определение характеристик системы Юпитера. Планета. Космические науки. 78 , 1–21 (2013).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Phillips, C.B. & Pappalardo, R.T. Концепция миссии Europa Clipper: исследование океанической луны Юпитера. ЭОС 95 , 165–167 (2014).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Кристенсен, У.Р. и др. Численный тест динамо. Физ. Планета Земля. Интер. 128 , 25–34 (2001).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Дорми Э., Кардин П. и Жолт Д. Течение МГД в слабо дифференциально вращающейся сферической оболочке с проводящим внутренним ядром в диполярном магнитном поле. Планета Земля. науч. лат. 160 , 15–30 (1998).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Циммер, К., Хурана, К.К. и Кивелсон, М.Г. Подповерхностные океаны на Европе и Каллисто: ограничения по наблюдениям магнитометра Галилея. Икар 147 , 329–347 (2000).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Gissinger, C., Rodriguez-Imazio, P. & Fauve, S. Нестабильности в электромагнитных потоках, часть I. Phys. Жидкости 28 , 034101 (2016).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
Вэнс, С.и Гудман, Дж. К. в Europa (редакторы Паппалардо, Р. Т., Маккиннон, В. М. и Хурана, К. К.) 459–482 (Univ. Arizona Press, 2009).
Kivelson, M.G. et al. Магнитная подпись Европы: отчет о проходе Галилея 19 декабря 1996 г. Science 276 , 1239–1241 (1997).
ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый
8,8 Кто изобрел относительность? |
|
Все начала неясны. |
Х. Вейл |
|
Есть На протяжении всей истории существовало множество теорий относительности, начиная с астрономические рассуждения Гераклида к геометрии Евклида к классической теория пространства, времени и динамики, разработанная Галилеем, Ньютоном и другими. Каждый из них был основан на одном или нескольких принципах относительности.Однако, когда мы говорим о теории относительности сегодня, мы обычно имеем в виду одну конкретную Теория относительности, а именно совокупность идей, разработанных в начале ХХ века и тесно связан с творчеством Альберта Эйнштейна. Эти идеи отличаются от предыдущих теорий не идеей сама относительность, а тем, как релятивистски эквивалентны системы координат связаны друг с другом. |
|
Один интереснейших исторических аспектов современной теории относительности. что, хотя его часто считают весьма оригинальным и даже революционным вклад одного человека, многие идеи и формулы теория была предвосхищена другими.Например, ковариация Лоренца электромагнетизм и инерция электромагнитной энергии были оба (возможно) неявное в уравнениях Максвелла. Кроме того, Фойгт формально вывел преобразования того же вида, что и преобразования Лоренца 1887 г., основанные по общим соображениям волнового уравнения. В контексте электродинамика, Фицджеральд, Лармор и Лоренц к 1890-м гг. пришли к действительным преобразованиям Лоренца по крайней мере для электромагнетизм, хотя, знаменательно, толком не понимали что они представляют отношения между инерциальными координатами.К 1905 г. Пуанкаре подтвердил, по крайней мере временно, принцип Галилея. относительности, указывал на отсутствие эмпирической основы для абсолютного одновременность, поставили под сомнение онтологическое значение эфира и даже заметил, что преобразования Лоренца составляют группу в в том же смысле, что и преобразования Галилея. Формальный синтез пространства и время в пространство-время, возможно, было вкладом Минковского в 1907 году, и динамика специальной теории относительности была впервые дана в современной форме Планком в 1906 году и Льюис и Толмен в 1909 году.Точно так же кривизна Римана и Тензоры Риччи для n-мерных многообразий, сам тензорный формализм и даже ключевые тождества Бьянки были известны до Эйнштейна. развитие общей теории относительности в 1915 году. Ввиду этого правильно ли считать Эйнштейна единственным создателем современной теории относительности? |
|
вопрос усложняется тем, что относительность традиционно разделяется на две отдельные теории, специальную и общую теории, соответствующие две фазы исторического развития Эйнштейна и взаимодействие между идеями Эйнштейна и его предшественников. современники различны в этих двух случаях.Кроме того, титул Статья Эйнштейна 1905 года («Об электродинамике движущихся тел») поощряется. мысль о том, что это была просто интерпретация теории Лоренца электродинамика. Действительно, Вильгельм Вейн предложил, чтобы Нобелевская премия 1912 г. быть вручены совместно Лоренцу и Эйнштейну, говоря |
|
Принцип теория относительности устранила трудности, существовавшие в электродинамике. и дал возможность предсказать для движущейся системы все электродинамические явления, известные для покоящейся системы…С чисто логической точки С этой точки зрения принцип относительности следует рассматривать как один из самых значительных достижений, когда-либо достигнутых в теоретической физике… Хотя Лоренца следует считать первым, кто нашел математический Содержание относительности Эйнштейну удалось свести к простому принципу. Поэтому следует оценивать заслуги обоих исследователей как сопоставимо. |
|
Как бывает, премия по физике за 1912 год была присуждена Нильсу Густаву Далену (за «изобретение автоматических регуляторов освещения береговых маяков и световые буи в темное время суток или в другие периоды ограниченной видимости»), и ни Эйнштейн, ни Лоренц, ни кто другой никогда не были удостоены Нобелевской премии для специальной или общей теории относительности.Это иногда считалось несправедливостью по отношению к Эйнштейну, хотя в ретроспективе это возможно, что совместная премия Лоренца и Эйнштейна в 1912 г., поскольку Вайн предложил, оценивая «заслуги обоих следователей как сравнимы», возможно, на самом деле уменьшило последующее популярный образ единственного создателя специальной теории относительности. |
|
Вкл. с другой стороны, несмотря на несколько вводящее в заблуждение название статьи Эйнштейна, который предполагал, что он был в первую очередь сосредоточен на электродинамике, статья действительно представляет собой значительный прогресс по сравнению со всей предыдущей работой, именно потому, что она показала, что значение относительности принцип, сочетающийся с безразличием пустого пространства к состоянию движения, подразумевает последствия, выходящие далеко за пределы Лоренца. электродинамика.Как позже вспоминал Эйнштейн, |
|
Новая функция стало осознание того, что подшипник преобразования Лоренца выходил за рамки своей связи с уравнениями Максвелла и занимался Природа пространства и времени в целом. |
|
Кому приведите только один пример, обратите внимание, что до появления специальной теории относительности экспериментальные результаты Кауфмана и других, связанные с изменением Считалось, что инерционная масса электронов со скоростью подразумевает, что все инерционная масса электронов должна быть электромагнитной по происхождению, тогда как Рассуждения Эйнштейна показали, что инерция всей массы даже электрически нейтральная весомая масса обязательно подверглась бы влиянию скорость таким же образом.Инерция возникла не из-за электрического заряда, а из-за было связано с массой-энергией. Таким образом, вся исследовательская программа, основанная на убеждение, что высокоскоростное поведение объектов представляет собой контингентное динамика галилеевского пространства и времени была решительно подорвана, когда Эйнштейн показал, что рассматриваемые явления можно интерпретировать по-разному. более единым и естественным образом в контексте релятивистского пространства-времени. |
|
Сейчас, если бы эта интерпретация применялась только к электродинамике, ее значение может быть спорным, но уже к 1905 году стало ясно, что, по выражению Эйнштейна, преобразование Лоренца превзошло его связь с Максвеллом уравнения, и должны применяться ко всем физическим явлениям, чтобы объяснить полная неспособность обнаружить абсолютное движение.Как только это осознается, Ясно, что мы имеем дело не только со свойствами электричества и магнетизма или каких-либо других специфических сущностей, но с фундаментальными мерами самого пространства и времени. Это аспект теории Эйнштейна 1905 года. что побудило Витковского, прочитав т. 17 Аннален дер Физик, к воскликните: «Родился новый Коперник! Прочтите статью Эйнштейна!» То сравнение уместно, потому что вклад Коперника мог, в конце концов, изначально рассматривались как не что иное, как интерпретация Астрономия Птолемея, точно так же, как теория Эйнштейна первоначально рассматривалась некоторыми как просто интерпретация электродинамики Лоренца.Только впоследствии сделал такие люди, как Кеплер, Галилей и Ньютон, еще больше восприняли идеи Коперника. серьезно, чем это сделал сам Коперник, разработать существенно новую физическая теория. Понятно, что Коперник был лишь одним из нескольких человек. которые совместно создали «коперниканскую революцию» в науке, и мы аналогичным образом можно утверждать, что Эйнштейн был лишь одним из нескольких (включая Максвелла, Лоренца, Пуанкаре, Планка и Минковского), ответственных за «революция относительности». |
|
историческая параллель между специальной теорией относительности и моделью Коперника. Солнечная система не просто поверхностна. В обоих случаях ранее существовавшие теоретическая структура была основана на наивном использовании определенной системы координаты, лишенные какого-либо убедительного физического обоснования. Физический ожидания были сформированы этими традиционными системами координат. Для Например, в контексте Птолемея было естественно предположить, что и Солнце и планета Венера вращаются вокруг неподвижной Земли по отдельным орбитам.Однако с помощью недавно изобретенного телескопа Галилей смог наблюдать фазы Венеры, ясно показывающие, что Венера вращается вокруг Солнца. В этом как внутренние отношения между небесными телами стали лучше понял, но все же можно было (и все же есть возможно) рассматривать Землю как стационарную в абсолютном внешнем смысле. На самом деле для многих целей мы продолжаем делать именно это, но с астрономической точки зрения мы теперь почти всегда рассматривают Солнце, а не Землю, как (приблизительный) центр Солнечной системы.Почему? |
|
Ответ заключается в том, что Солнце ближе к инерциальному центру. В другом словами, коперниканская революция (доведенная до конца наследники Коперника) можно резюмировать как принятие инерции как основной организующий принцип для понимания и описания природа. Понятие физической инерции было четко определено, и осознание его значения эволюционировало и созрело благодаря работам Кеплер, Галилей, Ньютон и другие.Природа наиболее легко и наиболее наглядно описывается в терминах инерциальных координат. Конечно, это остается возможным принять некоторую неинерциальную систему координат с относительно которого Землю можно считать центром, но определенно не центр инерции. |
|
Аналогично ранее существовавшая теоретическая структура в 1905 году описывала события с точки зрения системы координат, которые не были ясно поняты и отсутствовали в физическое обоснование.В этих рамках было естественно представить себе определенные последствия, такие как анизотропия скорости света, т.е. зависимость скорости света от направления движения Земли через (предположительно стационарный) эфир. Во многом это было мотивировано представление о том, что свет состоит из волны в эфире и, следовательно, не является инерционное явление. Однако физики-экспериментаторы в конце 1800-х гг. начали открывать факты, аналогичные фазам Венеры, например, симметрию электромагнитной индукции, «частичной конвекции» света в движущихся сред, изотропия скорости света по отношению к относительно движущимся системы отсчета и так далее.Эйнштейн объяснил все эти результаты тем, что показывая, что они были совершенно естественными, если вещи описываются в терминах основанных на инерции координаты — при условии, что мы применим более глубокое понимание определение и физический смысл таких систем координат и отношения между ними. |
|
Как в результате первой инерционной революции (инициированной Коперником), физики давно знали о существовании предпочтительного класса системы координат – инерционные системы – относительно какие инерционные явления изотропны.Эти системы эквивалентны до ориентации и равномерного движения по прямой линии, и это всегда было молчаливо предполагалось, что переход от одной системы этого класса к другой был получен преобразованием Галилея. Открытие Принцип сохранения энергии в середине 1800-х годов выявил аномалии в концептуальные основы ньютоновской механики, которые могли привести к открытие инерции энергии и, следовательно, к осознанию того, что инерциальные системы координат связаны преобразованиями Лоренца.Однако, исторически концептуальные аномалии в механике оставались незамеченными, и Первые признанные лоренц-инвариантные явления были в области электромагнетизм. После того, как Максвелл ввел «смещение тока» в уравнения, описывающие электромагнитное поле в вакууме, было установлено, что полученная система уравнений является лоренцевской инвариант (а не инвариант Галилея). Сначала об этом не подумали имеют последствия для механики, но неспособность различить какие-либо различия между группами инвариантности механических и оптических явлений (например,грамм., неспособность обнаружить эфирный ветер) вскоре привели к осознанию того, что механика тоже должна быть лоренц-инвариантной. |
|
Открытие лоренц-инвариантности было аналогично открытию фаз Венера в том смысле, что она безвозвратно изменила наше осознание внутреннего отношения между событиями. Мы все еще можем продолжать использовать системы координат, связанные преобразованиями Галилея, но теперь мы понимаем, что только одно из этих систем (в лучшем случае) является истинно инерциальной системой координат.То Электродинамическая теория Лоренца была в некотором смысле аналогична теории Тихо Браге. Модель Солнечной системы, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, но Солнце вращается вокруг неподвижной Земли. Модель Тихо была кинематически эквивалентна модели Коперника, ориентированной на Солнце, но выражена неуклюже в термины системы координат, относительно которой Земля неподвижна, т. е. неинерциальная система координат. |
|
Это стоит подчеркнуть, что мы по-прежнему определяем координаты, основанные на инерции, так же, как Галилей сделал, т.е.е., системы координат, относительно которых инерциальная явления однородны и изотропны, поэтому наше определение не изменилось. Изменилось только наше понимание отношений между такие системы координат. Знаменитая «синхронизация» Эйнштейна процедура» (которая фактически впервые была предложена Пуанкаре) была выражена в терминах световых лучей, но физический смысл этой процедуры из-за эмпирического факта, что он дает точно такую же синхронизацию, как выполняет процедуру синхронизации Галилея, основанную на механической инерции.К установить одновременность между пространственно отдельными событиями во время плавания свободно в пустом пространстве бросать два одинаковых предмета в противоположные стороны с одинаковой силой, так что метатель остается неподвижным в своем первоначальном точка зрения. Затем эти объекты проходят равные расстояния за одинаковое время, т. е. служат для присвоения инерционно одновременных времен отдельным событиям по мере удаления друг от друга. Таким образом, мы можем теоретически установить полные срезы инерциальной одновременности в пространстве-времени, основанные исключительно на инерционное поведение материальных объектов.Кто-то движется равномерно относительно мы можем провести ту же процедуру по отношению к его собственной инерциальной системе отсчета. отсчета и установить свои собственные срезы инерционной одновременности на всем протяжении пространство-время. Внутренние отношения, которые были обнаружены в конце XIX века показывают, что эти два набора срезов одновременности не идентичный. Два основных подхода к интерпретации этих фактов были обсуждались в разделах 1.5 и 1.6. Подход, который отстаивал Эйнштейн, заключался в том, чтобы придерживаться принципа инерции как основы для организации нашего понимание и описание физических явлений, что само по себе определенно не было новой идеей.Новизна заключалась в признании того, что инерциальные системы координат связаны преобразованиями Лоренца, и все что из этого следует, в том числе инерционность энергии. |
|
В В свои более поздние годы Эйнштейн заметил: «Нет сомнений в том, что Специальная Теория относительности, если рассматривать ее развитие в ретроспективе, созрела за открытие в 1905 году». Человек (вместе с Лоренцем), который наиболее близко предвосхитил специальную теорию относительности Эйнштейна, несомненно, Пуанкаре. уже в 1900 году обсуждалось рабочее определение синхронизации часов. с помощью световых сигналов, а в 1904 году предположил, что эфир находится в принцип необнаруживаемый для всех порядков v/c.Однако он не добился важное осознание того, что синхронизация со скоростью света дает тот же результат, что и синхронизация по механической инерции. Кроме того, еще в 1909 г. Пуанкаре не был готов сказать, что эквивалентность всех инерциальных систем отсчета (для выражение физических законов) в сочетании с инвариантностью (двустороннего) света скорости было достаточно, чтобы вывести модель Эйнштейна. Он утверждал, что надо также обуславливают особое сжатие физических объектов в их направление движения, как если бы это была независимая гипотеза.Это обычно приводится как свидетельство того, что Пуанкаре все еще не понимал ситуации, хотя он был совершенно прав в том, что два знаменитых принципа В статье Эйнштейна 1905 года , а не достаточно, чтобы однозначно идентифицировать инерциальные координаты, как позже признал сам Эйнштейн. Нужно также обусловливают, по крайней мере, однородность, отсутствие памяти и изотропность. Из эти, первые два довольно безобидны, и можно было бы простить отсутствие явного упоминания о них, но не предположение об изотропии, что служит как раз для того, чтобы выделить соглашение об одновременности, основанное на инерции от всех остальных — столь же жизнеспособных — условностей.(см. раздел 4.5). Это также именно тот аспект, который фиксируется постулатом Пуанкаре. сокращения как функции скорости. |
|
В В каком-то смысле неспособность Пуанкаре основать современную теорию относительности может следует отнести к его философской утонченности, не позволявшей ему подписываясь на более прагматичную направленность молодого патентного эксперта на конвенция, основанная на инерции. Пуанкаре слишком хорошо понимал, в какой степени наши физические модели являются как обычными, так и предварительными.Ретроспективно, Сомнения Пуанкаре выглядят так, словно кто-то утверждает, что мы могли бы просто также рассматривать Землю, а не Солнце, как центр солнечного системы, т. е. его оговорки были (и есть) технически обоснованными, но в некоторых смысл заблуждающийся. Кроме того, как заметил Макс Борн, до конца жизни Пуанкаре его изложения теории относительности определенно производят на вас впечатление, что он записывать работу Лоренца, и тем не менее Лоренц никогда не претендовал на то, чтобы быть автором принцип относительности, но неизменно приписывал его Эйнштейну.Действительно, сам Лоренц часто выражал сомнения относительно релятивистского интерпретация. |
|
Относительно У Борна сложилось впечатление, что Пуанкаре просто записывал работу Лоренца. Следует отметить, что Пуанкаре обычно писал скромно. Он назвал многие из своих открытий именами других людей и изложил многие важные и оригинальные идеи в трудах, которые якобы были просто обзором работы других, с небольшими дополнениями и исправлениями.Пуанкаре стиль письма, особенно по темам физики, как правило, дает такое впечатление, что он просто рецензировал чью-то чужую работу (которой он и был) в контраст с Эйнштейном, чей стиль письма, как сказал Борн, дает вам впечатление от совершенно нового предприятия. Конечно, продолжал Борн, вспоминая свое первое прочтение статьи Эйнштейна в 1907 году. Хотя я был хорошо знаком с с релятивистской идеей и преобразованиями Лоренца, Эйнштейнов рассуждения были для меня откровением, которое сильнее повлияло на мое мышление, чем любой другой научный опыт . |
|
Лоренц нежелание полностью принять принцип относительности (что он сам многое предстоит открыть) отчасти объясняется его верой в то, что «Эйнштейн просто постулирует то, что мы вывели… из уравнений электромагнитного поле». Если бы это было правдой, это было бы веской причиной для предпочтения Подход Лоренца. Однако, если мы внимательно рассмотрим электронную теорию Лоренца мы находим, что полное согласие с экспериментом требовало не только вызова гипотезы сжатия Фитцджеральда, но и предположение, что механическая инерция есть ковариант Лоренца .Правда, после Пуанкаре жаловался на распространение гипотез, Лоренц понял, что сокращение может быть выведено из более фундаментальных принципов (как обсуждалось в разделе 1.5), но это было основано на еще одной гипотезе, так называемой молекулярной гипотеза силы , которая просто утверждает, что все физические силы и конфигурации (включая неизвестные силы, поддерживающие форму электрон) преобразуются по тем же законам, что и электромагнитные силы.Излишне говорить, что оно, очевидно, не может следовать дедуктивно из «из уравнения электромагнитного поля», что обязательно не -электромагнитных силы, которые удерживают электрон вместе, должны преобразовываться в соответствии с тем же законы. (И Пуанкаре, и Эйнштейн уже к 1905 г. поняли, что масса электрона не может быть полностью электромагнитным по происхождению, хотя Пуанкаре, кажется, не понял всего значения этого факта.) Даже в меньшей степени можно вывести лоренцеву ковариацию механической инерции из электромагнитная теория.До сих пор мы не знаем происхождения инерции, так что никто не может утверждать, что вывел ковариацию Лоренца в любом конструктивном смысле, не говоря уже о законах электромагнетизма. |
|
Отсюда Гипотеза молекулярной силы Лоренца и его гипотеза ковариантности механическая инерция вместе взятые — это просто замаскированный и частичный способ постулирования универсальная лоренц-инвариантность — это именно то, что утверждает Лоренц выводить, а не постулировать.Вся задача состояла в том, чтобы согласовать Лоренцева ковариация электромагнетизма с галилеевой ковариантностью механическая динамика, и Лоренц просто понял, что один из способов сделать это состоит в том, чтобы предположить, что механическая динамика (т. е. инерция) на самом деле является лоренцевской ковариантный. Это представлено как явный постулат (а не дедукция) в окончательное издание его книги по электронной теории. По сути, Лоренц программа состояла из выполнения большой дедуктивной работы, в конце из которых все еще было необходимо, чтобы прийти к результатам, согласованным с экспериментом, просто постулировать тот же самый принцип, который формирует основе специальной теории относительности.(К его чести, Лоренц откровенно признал, что его выводы были «не совсем удовлетворительными», но это на самом деле преуменьшение, потому что в конце концов он просто постулировал то, что он утверждал, что сделал вывод.) |
|
В Напротив, Эйнштейн признавал необходимость использования принципа относительность и лоренц-инвариантность в начале, а затем продемонстрировали, что весь остальной «конструктивный» труд, связанный с подходом Лоренца был излишним, потому что, как только мы приняли эти предпосылки, все экспериментальные результаты следуют неизбежно, без молекулярной силы гипотезы или любые другие экзотические и сомнительные догадки относительно окончательного избирательность материи.На каком-то уровне Лоренц уловил превосходство чисто релятивистского подхода, т. видно из слов, которые он включил во второе издание своей «Теории электронов» в 1916 году. Отметив, что теория относительности Эйнштейна дает более простое описание явлений электромагнетизма, чем его собственное (Лоренца), добавил он |
|
Главной причиной моей неудачи было то, что я цеплялся за идею, что только переменная t может рассматриваться как истинное время, и что мое местное время t’ следует рассматривать не более чем как вспомогательную математическую величину. |
|
Тем не менее, ни Лоренц, ни Пуанкаре никогда не принимали искренне относительности по причинам, которые, возможно, лучше всего резюмирует Лоренц, когда он писал |
|
Тем не менее, я думаю, что кое-что можно сказать и в пользу формы в которую я изложил в теории. Я не могу не считаться с эфиром, который может быть вместилищем электромагнитного поля с его энергией и вибрациями, как наделенный определенной степенью субстанциальности, какой бы различной она ни была быть из всего обычного вещества.В этом направлении мысли кажется естественным не предположим вначале, что никогда не может иметь никакого значения, движется ли тело через эфир или нет, и измерять расстояния и продолжительность времени с помощью средства стержней и часов, имеющих фиксированное положение относительно эфира. |
|
Это отрывок подразумевает, что обоснование Лоренца для сохранения существенного эфира и пытаясь отнести все измерения к остальной системе координат этого эфира (разумеется, не уточняя, как это сделать) была убежденность в том, что может, в конце концов, иметь какое-то значение, движется ли тело через эфир или нет.Другими словами, мы должны продолжать искать физические эффекты, нарушающие лоренц-инвариантность (под которыми мы теперь подразумеваем локальные лоренц-инвариантности). инвариантность) как в новых физических силах, так и при более высоких порядках v/c для известные силы. Столетие спустя наши нынешние знания о слабых и сильных ядерные силы и точное поведение частиц при 0,99999c подтвердил суждение Эйнштейна о том, что лоренц-инвариантность является фундаментальной принцип, значение и применимость которого выходят далеко за пределы максвелловской уравнений и, по-видимому, выражает общий признак всех физических явления, а не конкретный атрибут конкретных физических объектов.Эйнштейн цитировал Эрнста Маха и Дэвида Юма как вдохновителей готовность бросить вызов глубоко укоренившимся представлениям (например, мнению Юма о том, что наша чувство причинности есть просто привычка к ассоциации), что придало смелости Эйнштейна, чтобы критически изучить основы традиционных измерений пространство и время. |
|
В Помимо формул, выражающих преобразования Лоренца, можно также найти прецеденты для других результатов, обычно связанных со специальными относительность, например эквивалентность массы и энергии.Исаак Ньютон знаменит спросил: «Разве грубые тела и свет не превращаются друг в друга…?», хотя спорно, действительно ли это представляет собой предложение эквивалентность массы и энергии. В более современном контексте общая идея связывание массы с энергией каким-то образом существовало около 25 лет. до работ Эйнштейна 1905 года. Действительно, как говорил Томсон и даже сам Эйнштейн. Как уже отмечалось, эта ассоциация уже заложена в теории Максвелла. С участием электрические и магнитные поля e и b , плотность энергии (e 2 + b 2 )/(8π), а плотность импульса равна ( e x b )/(4πc), так и в случае излучения (когда e и b равны и ортогональна) плотность энергии E = e 2 /(4π) и плотность импульса равна p = e 2 /(4πc), откуда следует, что p = E/c.Даны две первоначально покоящиеся частицы на расстоянии D друг от друга. импульс света со сколь угодно малой энергией Е, переданный от одного к другое приведет к тому, что первый отскочит на расстояние Dv/c, когда импульс поглощается вторым. Чтобы сохранить центр масс непосредственно перед и после замены должно быть (D/2 + Dv/c)(m − ∆m) = (D/2)(m+∆m), а сохранение импульса влечет E/c = (m−∆m)v, поэтому мы имеем E = ∆mc 2 . Этого не должно быть удивительно, потому что уравнения Максвелла лоренц-инвариантны.Действительно, в Статья 1905 года, содержащая его первоначальный вывод об эквивалентности массы и энергии, Эйнштейн признает, что она была явно основана на «максвелловской теории». выражение для электромагнитной энергии пространства». Можно также упомянуть работы до 1905 года о кажущейся массе заряженных частиц из-за электромагнитная самоиндукция и работа Хазенорля о том, как масса полость увеличивается, когда она заполняется излучением. Тем не менее, Хазенорль предложил неправильную константу пропорциональности, а исследования кажущихся масса интерпретировалась как доказательство того, что вся масса имеет электромагнитное происхождение, что, как мы теперь знаем, не соответствует действительности.Более того, все эти ранние предложения были весьма ограничены в своей применимости и не сводились к утверждению фундаментальная эквивалентность, применимая ко всем формам энергии (не только электромагнитный), такой, который так ясно вытекает из теории относительности Эйнштейна. интерпретация. Хотя немногие из формул в двух статьях Эйнштейна 1905 г. теории относительности были новыми, статьи обеспечивали единую концептуальную основу в рамках что все эти формулы совершенно естественно вытекают из простого набора общих принципы.Напротив, Пуанкаре еще писал в 1908 г. («Наука и Метод), что теория Лоренца нарушает закон сохранения импульса (реакция принцип), так как он все еще не принимал во внимание идею о том, что безмассовые электромагнитные энергия (между ее излучением и поглощением материальными телами) могла иметь реальный импульс. |
|
Иногда можно услышать о других людях, которые, как говорят, открыли один или несколько аспектов теории относительности до Эйнштейна.Возьмем только один пример: в ноябре В 1999 году в газетах всего мира появилась статья о том, что «Математическое уравнение, положившее начало атомному веку, было открыто неизвестным итальянским дилетантом за два года до того, как Альберт Эйнштейн использовал его в разрабатывая теорию относительности…». «Дилетант» в Вопрос был у итальянского бизнесмена по имени Олинто Де Претто, чья газета 1903 года утверждал, что каждая частица материи возбуждается под воздействием ультрамирской поток гипотетических частиц эфира в «теории теней». тяжести.Де Претто пришел к выводу, что средняя колебательная скорость частицы материи должны приближаться к скорости частиц эфира, которую он предполагается, что это может быть скорость света. Затем он утверждал (ошибочно), что кинетическая энергия массы m, движущейся со скоростью v, равна mv 2 . На этом основе, де Претто утверждал, что средняя кинетическая энергия в количестве массы m будет mc 2 . Помимо ошибочного и вопреки действительности, эта линия рассуждений не была оригинальной для Де Претто.То Теневая теория гравитации была впервые предложена другом Ньютона Николасом. Фатио в 1690-х годах и впоследствии вновь обнаруженный многими людьми, особенно Жорж Луи Лесаж в конце 18 века. Тот факт, что бомбардировка таким интенсивным сверхмирским потоком обязательно поднимет температуру обычного вещества до невероятных температур отметил и Кельвин, и Максвелл в конце 19 века. Пуанкаре и Лоренц оба понял то же самое и использовал этот факт, чтобы сделать вывод, что теневая модель гравитации нежизнеспособна (поскольку она влечет за собой испарение Земли в долю секунды).Следовательно, Де Претто не сказал ничего нового, а просто повторил что было тогда уже давно дискредитированной идеей, которая конечно не несет сходство с концепцией эквивалентности массы и энергии, вытекающей из специальная теория относительности. |
|
Его также исторически неверно утверждать, что Эйнштейн использовал идею эквивалентность массы и энергии для развития теории относительности. Эквивалентность массы и энергии даже не упоминалась в его основополагающем документе. июнь 1905 г.Лишь несколько месяцев спустя он осознал этот смысл теории, что побудило его написать в письме своему близкому другу Конраду Хабихту: |
|
Еще один Следствие статьи по электродинамике также пришло мне в голову. То принцип относительности в сочетании с уравнениями Максвелла требует что масса является прямой мерой энергии, содержащейся в теле; свет несет с собой массу.Заметное уменьшение массы должно происходить в случае радия [поскольку он излучает излучение]. Аргумент [который он намеревается представить в газете] забавно и соблазнительно, но, насколько я знаю, Господь может быть смеясь над этим и водя меня за нос. |
|
самое очевидное доказательство оригинальности пути Эйнштейна к особым относительность — это удивительно ясная последовательность мыслей, представленных в его Документ 1905 года, начиная с первых принципов и тщательного изучения физический смысл инерционных мер времени и пространства, из которых инерция энергии возникает естественным образом.Это не отрицает, что идея связь между массой и некоторыми формами энергии возникла в работе предшественников Эйнштейна, но ясно, что Эйнштейн пришел к идее полная эквивалентность массы и энергии как следствие его идей о релятивистская динамика, а не наоборот. |
|
Как упоминалось выше, специальная теория относительности могла быть выведена чисто из энергетических соображений, как только закон сохранения энергии установленный в качестве фундаментального принципа в середине 1800-х годов.Согласно с По закону Ньютона центр масс изолированной системы движется равномерно по прямая, а центра энергии нет. Изменить законы Ньютона на Правильное решение этой проблемы приводит непосредственно к специальной теории относительности. Однако даже в начале 1900-х годов, уверенность в концепции энергии как реальной сущности, которую можно однозначно отследить во времени, было недостаточно, чтобы поддержать эту линию рассуждений. (Например, Лоренц написал «Поток энергия никогда не может, по моему мнению, иметь такое же четкое значение, как поток материальных частиц… Можно даже поставить под сомнение передача электромагнитной энергии происходит по пути, указанному Пойнтингсом. закон….) |
|
Хотя Работы Эйнштейна 1905 года по специальной теории относительности были удивительно тщательными и зрелые, было много важных вкладов в основы специальных относительность, сделанная другими в последующие годы. Например, в 1907 г. Макс Планк значительно прояснил релятивистскую механику, основываясь на сохранение импульса с его «более выгодными» определениями, как и Толмен и Льюис.Планк также подверг критике первоначальный вывод Эйнштейна. эквивалентности массы и энергии и дал более общее и всеобъемлющее аргумент. (Это побудило Йоханнеса Старка в 1907 году назвать Планка создателем эквивалентности массы и энергии, что вызвало гневное письмо от Эйнштейна, в котором говорилось что он «довольно обеспокоен тем, что вы не признаете моего приоритета что касается связи между массой и энергией». В последующие годы Старк стал откровенным критиком работы Эйнштейна.) |
|
Другой решающий вклад внес Герман Минковский (один из бывшие профессора), которые признали, что то, что описал Эйнштейн, было просто обычная динамика в четырехмерном пространственно-временном многообразии с псевдометрика (dτ) 2 = (dt) 2 (dx) 2 (dy) 2 (dz) 2 .(интересно сравнить с как Макс Борн понял, что гейзенберговский, казалось бы, неинтуитивный квантовый операции были просто умножением матриц.) Пуанкаре отметил инвариантность этой квадратичной формы относительно преобразований Лоренца уже 1905 г. Это было жизненно важно для обобщения теории относительности, которую Эйнштейн с помощью своего старого друга Марселя Гроссмана построил на основе по теории искривленных многообразий, разработанной в 19 веке Гауссом и Риман. |
|
тензорное исчисление и вообще ковариантный формализм, использованные Эйнштейном в его Общая теория была разработана Грегорио Риччи-Курбастро и Туллио. Леви-Чивита около 1900 г. в Падуанском университете, основываясь на более раннем работы Гаусса, Римана, Бельтрами и Кристоффеля. На самом деле, основной техническая задача, которая занимала Эйнштейна в его попытках найти подходящее закон поля для гравитации, который должен был построить из метрического тензора другой тензор, ковариантная производная которого автоматически обращается в нуль, уже решаются в виде тождеств Бьянки, которые непосредственно приводят к Тензор Эйнштейна, как обсуждалось в разделе 5.8. |
|
Несколько часто упоминаются другие люди, которые предвидели некоторые аспекты общей теории относительности, хотя и не вносит серьезного вклада в формулировку теории. Джон Мичелл писал в 1783 г. возможность «темных звезд», которые были настолько массивными, что свет не мог убежать от них, и Лаплас рассматривал ту же возможность в 1796 году. Около 1801 года Иоганн фон Зольднер предсказал, что световые лучи, проходящие вблизи Солнца, будет отклоняться под действием гравитации Солнца, точно так же, как маленькая корпускула вещество, движущееся со скоростью света (в определенной точке на его траектория).Это дает отклонение всего в половину релятивистского значения. По иронии судьбы, согласно немецкой литературе того времени, параметр Солднер использовал ускорение свободного падения в два раза меньше современного. определения этого термина, поэтому его формулы включали множитель 2, который некоторые люди впоследствии восприняли как указание на то, что он предсказал релятивистское значение. Однако ньютоновский вывод, который он представил, однозначно и приводит к числовому значению 0,84 угловых секунды, которое было прямо заявил Зольднер, так что нет сомнений, что его предсказание было половину релятивистского значения. |
|
Интересно, работа Зольднера была практически забыта до тех пор, пока не была заново открыта и обнародовано Филиппом Ленардом в 1921 году вместе с утверждением, что Хазенорл следует приписать массо-энергетическому эквиваленту. Точно так же в 1917 году Эрнст Герке организовал перепубликацию статьи учителя средней школы 1898 г. имени Пауля Гербера, который содержал формулу прецессии эллиптических орбиты, идентичные (в низшем порядке приближения) одной эйнштейновской были получены из уравнений поля общей теории относительности.Подход Гербера исходил из того, что гравитационный потенциал распространяется скорость света, и что влияние потенциала на движение тела зависит от скорости тела через потенциальное поле. Его потенциал был аналогичны теории Гаусса-Вебера. Тем не менее, Гербер «теория» считалась (и остается) неудовлетворительной, в основном потому что его выводы не следуют из его посылок, но также и потому, что сочетание предложенного Гербером гравитационного потенциала с остальными (нерелятивистская) физика приводит к предсказаниям (таким как 3/2 релятивистское предсказание отклонения световых лучей вблизи Солнца), которое несовместимы с наблюдением.Кроме того, свободное смешение Гербером распространение эффектов с действием на расстоянии имело тенденцию подрывать Теоретическая согласованность его предложения. |
|
сочинения Мичелла, Солднера, Гербера и других были в лучшем случае предвосхищением часть феноменологии, позже связанной с общей теорией относительности, но не имел ничего общего с собственно общей теорией относительности, т. теория, рассматривающая гравитацию как проявление кривизны пространство-время.Некоторые намеки на эту последнюю концепцию можно найти в понятийном труды Уильяма Кингдона Клиффорда, который писал о возможной связи между материей и искривленным пространством в 1873 г., но, подобно Гауссу и Риману, ему не хватало решающая идея включения времени в качестве одного из измерений многообразия. Как отмечалось выше, формальные средства трактовки пространства и времени как единого единое пространственно-временное многообразие было задумано Пуанкаре и Минковским, а тензорное исчисление было разработано Риччи и Леви-Чивитой, вместе с Эйнштейном соответствовали во время разработки общей теории относительности.Это также стоит упомянув, что Эйнштейн и Гроссман, работая вместе, пришли очень был близок к открытию правильных уравнений поля в 1913 году, но был отвлечен ошибочным аргументом, который заставил их поверить в отсутствие полностью ковариантных уравнения могут согласовываться с опытом. Оглядываясь назад, эта авария Возможно, это было все, что мешало Гроссманну восприниматься как соавтор общей теории относительности. С другой стороны, Гроссманн специально дистанцировался от физических аспектов статьи 1913 г., и Эйнштейн написал Зоммерфельду в июле 1915 года (т.д., до прибытия в окончательная форма уравнений поля), что |
|
Гроссманн будет никогда не претендовал на звание со-первооткрывателя. Он только помог мне провести меня через математической литературе, но не внес ничего существенного в Результаты. |
|
Взгляды Эрнста Маха на происхождение инерции оказали глубокое влияние на Эйнштейн, который много лет считал, что общая теория относительности на самом деле осуществление идеи Маха.Однако отношение Маха к теории Эйнштейна непонятно. В преддверии посмертной книги, изданной в 1921 г., Мах был цитируется как заявление (в 1913 г.), что он дезавуировал теорию относительности, хотя были подняты вопросы о подлинности цитаты. В любом слючае, Эйнштейн определенно пришел к дезавуированию принципа Маха, поскольку стало ясно, что общая теория относительности на самом деле не соответствует этому принципу — по крайней мере, не прямым путем. Таким образом, в то время как общая теория относительности процветала, одна из основные мотивирующие идеи для него (принцип Маха) были почти полностью отброшен. |
|
В Летом 1915 года Эйнштейн прочитал в Геттингене серию лекций о общей теории и, по-видимому, сумел убедить как Гильберта, так и Клейна что он был близок к важному открытию, несмотря на то, что не все же пришел к окончательной форме уравнений поля. Гильберт занялся проблему с аксиоматической точки зрения и провел обширную переписка с Эйнштейном до 19 ноября.20-го Гильберт подал документ в Gesellschaft der Wissenschaften в Геттингене с вывод уравнений поля. Пять дней спустя, 25 ноября, Эйнштейн представил доклад с правильной формой уравнений поля в Прусская академия в Берлине. Точная последовательность событий, приведших к представление этих двух статей и как многому научились Гильберт и Эйнштейн друг от друга несколько туманны, тем более что работа Гильберта не была фактически изданный до марта 1916 года, и, кажется, претерпел некоторые изменения от того, что было первоначально представлено.Однако вопрос о том, кто впервые записал полностью ковариантные уравнения поля (включая след термин) менее значителен, чем можно было бы подумать, потому что, как писал Эйнштейн Гильберт 18 ноября, увидев черновик статьи Гильберта . |
|
Сложность не в нахождении общековариантных уравнений для g µν с; ибо это легко достигается с помощью тензора Римана.Наоборот, было тяжело признать, что эти уравнения являются обобщением, т. е. простым и естественное обобщение закона Ньютона. |
|
Это Можно утверждать, что Эйнштейн недооценивал математическую трудность, так как он еще не включил термин трассировки в свой опубликованный бумагах, но на самом деле он повторил тот же комментарий в письме к Зоммерфельду на 28 ноября, на этот раз явно ссылаясь на полные уравнения поля, с срок трассировки.Он написал |
|
Это естественно легко записать эти общековариантные уравнения; однако это трудно признать, что они являются обобщениями уравнений Пуассона, и нелегко признать, что они выполняют законы сохранения. я имел рассматривал эти уравнения с Гроссманном уже 3 года назад, за исключением [следовый термин], но в то время мы пришли к выводу, что он не выполняло приближение Ньютона, что было ошибочным. |
|
Таким образом он считает чисто математической задачей определения наиболее общего вполне ковариантное выражение, включающее g μν s и их первый и вторые производные столь же тривиальны и просты, как на самом деле это для компетентного математика. Личности Бьянки были уже известно, так что не было никакой новой математики. Трудность, как Эйнштейн, не заключался в том, чтобы записать решение этой математической задачи. проблемы, а в осмыслении проблемы в первую очередь, а затем показывая, что он представляет собой жизнеспособный закон гравитации.При этом Эйнштейн был бесспорно первооткрывателем не только в том, что он показал, что уравнения поля свести к закону Ньютона в первом приближении, но и показать, что они дают избыточную прецессию Меркурия во втором приближении. Гильберт был соответствующим образом впечатлен, когда Эйнштейн показал это в своей статье от 18 ноября, и важно отметить, что именно так Эйнштейн проводил свое время. около 18 ноября, устанавливая физические последствия полностью ковариантные уравнения поля, пока Гильберт занимался разработка математических аспектов проблемы, которую Эйнштейн намечено прошлым летом. |
|
Его также стоит отметить, что, хотя они пришли к одним и тем же формулам, Гильберт и Эйнштейн работали в принципиально разных контекстах, так что было бы несколько вводит в заблуждение утверждение, что они пришли к одному и тому же теоретическому результату. Уже в 1921 году Паули прокомментировал как одновременные открытия, так и различия между тем, что обнаружили двое мужчин. |
|
Одновременно как Эйнштейн, и независимо, Гильберт сформулировал общековариантный уравнения поля.Его презентация, однако, кажется неприемлемой для физики по двум причинам. Во-первых, существование вариационного принципа вводится как аксиома. Во-вторых, что более важно, уравнения поля не выведены для произвольной системы материи, а специально основаны по теории материи Миса. |
|
Что угодно истинная последовательность событий и взаимодействий, кажется, что Эйнштейн изначально испытывал некоторую обиду на Гильберта, возможно, думая что Гильберт поступил нелюбезно и украл часть своей славы.Уже на 20 ноября Эйнштейн написал другу . |
|
Теория несравненно красиво, но это понимает только один коллега, и тот мастерски работает над «нострификацией». я узнал прискорбность людей больше в связи с этой теорией, чем в какой-либо другой личный опыт. Но меня это не беспокоит. |
|
(Буквально слово нострификация относится к процессу, посредством которого страна принимает иностранные ученые степени, как если бы они были предоставлены одним из его собственных университеты, но это слово часто используется для обозначения присвоения и переупаковка чужих идей и превращение их в свои.) Однако, к 20 декабря он смог написать Гильберту примирительную записку, в которой говорилось: |
|
Был между нами некоторая неприятность, причину которой я не хочу анализировать. у меня есть боролся с чувством горечи с полным успехом. Я думаю о вас снова с безмятежным дружелюбием, и прошу вас сделать то же самое со мной. Было бы обидно, если бы двое таких, как мы, от этого потрепанного мира несколько, не могут наслаждаться друг другом. |
|
После этого они оставались в дружеских отношениях, и Гильберт никогда публично не заявлял о каких-либо приоритет в открытии общей теории относительности и всегда называл ее Теория Эйнштейна. |
|
Как оказалось, Эйнштейн едва ли мог быть недоволен количеством популярность он получил за теорию относительности, как специальную, так и Общая.Тем не менее, чувствуется некоторая досада, когда Макс Борн упомянул Эйнштейну в 1953 году (за два года до смерти Эйнштейна), что второй Том книги Эдмунда Уиттакера «История теорий эфира и Только что появилось электричество, в котором специальная теория относительности приписывается Лоренц и Пуанкаре, почти не упоминая Эйнштейна, за исключением того, что «Осенью [1905 года] Эйнштейн опубликовал статью, в которой теории относительности Пуанкаре и Лоренца с некоторыми дополнениями, и которая привлек большое внимание».В той же книге Уиттекер приписывает некоторые из фундаментальные идеи общей теории относительности Планку и математику по имени Гарри Бейтман (бывший ученик Уиттакерса). Эйнштейн ответил на его старый друг Родился |
|
Все так делают то, что он считает правильным… Если ему удастся убедить других, то это их собственное дело. Я и сам, конечно, находил удовлетворение в своих усилиях, но я не счел бы разумным защищать результаты моей работы как собственной «собственности», как какой-нибудь старый скряга мог бы защитить несколько медяков, которые у него были кропотливо собраны вместе. |