Научная революция в физике.

Научная революция в физике на рубеже 19-20 веков

Научная революция в физике.

Физика конца XIX века представляла собой основанную на механике Ньютона и электродинамике Максвелла систему знаний, которая представлялась почти завершенной. Складывалось впечатление, что наука находится на завершающем этапе своего развития, что описание законов природы должно вскоре принять всеобъемлющую и окончательную форму.

Достижения физики в области механики, электромагнетизма, оптики, термодинамики порождали иллюзию полного торжества человеческого разума, который раскрыл все тайны природы, и приводили, как и ранее, к абсолютизации знаний.

Это нашло отражение в электромагнитной картине мира, которая по своей сути являлась статичной, а, следовательно, омертвелой, концепцией мироздания, в которой не было места эволюционным принципам, а, следовательно, принципам развития наших знаний о природе. Истина, знания носили абсолютный характер. Такая абсолютизация законов физики нашла отражение в предложении математика Д.

Гильберта (1862-1943) провести аксиоматизацию всей физики, то есть сформулировать конечное число исходных аксиом, из которых логическим путем вывести все следствия, достаточные для исчерпывающе полного описания физической картины мира.

Никто из ученых того времени не подозревал, что физика на рубеже XIX-XX веков вступила в революционную эру, которая закончится рождением новой (неклассической) квантово-релятивистской физики.

Социально-экономические предпосылки (активное развитие производительных сил в США и передовых странах Европы) способствовали бурному развитию науки и срастанию ее с частной промышленностью.

Естествознание начинает развиваться невероятно быстрыми темпами, что стимулируется потребностями практики. Развивающаяся промышленность требует новых технологий, в основе которых лежит научное знание.

Развитые промышленные страны начинают выделять большие средства на развитие науки, системы образования, подготовку и воспроизводство научных кадров. Расширяется сеть научно-исследовательских учреждений, финансируемых как государством, так и частным капиталом.

При этом капитал, вложенный в научные разработки, начинает приносить прибыль, наука начинает себя окупать, то есть, по сути, превращается в сферу производства.

Финансирование научных исследований частным капиталом приводило к новым взаимоотношениям между учеными и работодателями, а также к новому соотношению между наукой и техникой.

Наука стимулировала развитие техники, а техника, в свою очередь, стимулировала развитие науки. Научная революция привела к индустриализации науки.

Основные достижения физики XX века обязаны достижениям научного приборостроения, которое стало играть определяющую роль в проведении экспериментальных исследований.

Развитие техники научного эксперимента требовало участия в исследовательском процессе людей разных специальностей, знающих эту технику и умеющих ее квалифицированно обслуживать.

Это привело к разделению труда в научных исследованиях, и как следствие, к коллективизации науки. На смену ученым-одиночкам приходят малые исследовательские группы, а затем и крупные научные коллективы.

Использование сложных и дорогостоящих приборов в научных исследованиях, разделение труда в научном коллективе привело к тому, в успехе научных разработок стала играть подготовка квалифицированных научных кадров, причем не только в университетах, но и в самих научных коллективах и учреждениях. Это привело к зарождению и развитию активно действующих научных школ, где опыт и знания ученых старшего поколения сочетался с нестандартностью мышления молодых исследователей.

Таким образом, наука начинает играть новую роль в обществе, с одной стороны становится движущей силой производства, с другой стороны — профессией огромного числа людей, с третьей стороны — основой мировоззренческих представлений. Признание обществом новой роли науки в системе культуры нашло отражение в установлении Нобелевских премий.

Мощным стимулом для развития науки и техники были мировые войны, а также экономическое и военное противостояние двух военно-политических блоков, во главе которых стояли СССР и США. Логика развития науки такова, что наука сама по себе не может быть безнравственна, однако полученные ее результаты могут быть использованы в военных целях.

Научные достижения, нашедшие применение в военной области, стали причиной смерти миллионов людей. Эта связь науки и военно-промышленного комплекса послужила дополнительной причиной интереса общества к достижениям науки и впервые в истории поставила вопрос о науке и нравственности.

Дальнейшая милитаризация научных исследований привела к угрозе существования человечества в целом после изобретения ядерного и термоядерного оружия. Это заставляет задуматься о соответствии уровня наших научных достижений и уровня наших моральных ценностей, о необходимости ответственности человечества перед матерью-природой.

Таким образом, отличительной особенностью научной революции рубежа XIX-XX веков явилась милитаризация научных исследований.

Срастание науки с промышленностью и превращение науки в сферу производства – процесс не одного десятка лет. Можно выделить несколько этапов развития научной революции.

Согласно Дж. Берналу научная революция рубежа XIX-XX веков походила в три этапа. Первая фаза развития научной революции охватывала период с 1895 по 1916 год, когда зарождались новые представления современной физики.

Это период в основном индивидуальных достижений супругов Кюри, Резерфорда, Планка, Эйнштейна, Бора и др. Физические исследования велись в университетских лабораториях, при этом использовалась дешевая и простая аппаратура.

Вторая фаза (1919-1939 гг.) характеризуется массовым внедрением промышленных методов в физические исследования.

Хотя в это время фундаментальные исследования ведутся главным образом в университетских лабораториях, отдельные крупные ученые начинают возглавлять научные группы, начинают устанавливать связи с крупными промышленными исследовательскими лабораториями. Число ученых, занимающихся наукой, растет экспоненциально.

Физика расширяет сферу своей деятельности, изменяя не только сферу производства, но и быт. Происходит милитаризация науки, устанавливаются связи между руководителями физических исследований с промышленными и государственными организациями в военных целях.

Третья фаза научной революции, которая длится по настоящее время, характеризуется еще большим расширением участия физики в военных программах. Физические исследования становятся все более дорогостоящими, в их финансировании все большую роль играет государство. При этом возникает вопрос о необходимости международной кооперации в осуществлении наиболее крупных проектов.

Итогом научной революции явилось не только возникновение современной физики, появление и развитие таких разделов физики, как квантовая механика, квантовая электродинамика, общая теория относительности, физика атомного ядра и субатомных частиц, квантовая физика твердого тела, квантовая хромодинамика, но и формирование нового диалектического мировоззрения, создание новой физической картины мира.

Формирование нового мировоззрения вместе с быстрыми темпами развития науки вылилось в конфликт поколений и омоложение физики. По мнению М. Планка утверждение новой научной идеи происходит постепенно, оппоненты понемногу вымирают, а новое поколение ученых с самого начала осваивается с новой идеей.

Утверждение новых идей в период научной революции столкнулось с трудностями приспособления к ним ученых старшего и среднего поколения, которые были воспитаны на принципах классической физики. Инерция мышления любого человека, равно как и ученого, являлась сутью этого конфликта.

В 1933 году известный физик Пауль Эренфест (1880-1993) совершил самоубийство, потому что не смог принять новых идей физики, не смог смирится с тем, что он из творца превратился в критика.

Противоречие новых принципов идеям классической физики и привело к омоложению физики. Так, Копернику в момент наивысшей научной активности было 70 лет, Галилею и Ньютону – около 45, создателям современной физики – Резерфорду, Эйнштейну, Бору – до 30 лет. Еще более молодыми были их ученики.

На стыке XIX и ХХ вв. в науке свершились открытия, заставившие заколебаться сложившуюся картину мира. Представлениям, основанным на классической механике, суждено было уступить место новой, остающейся до сих пор во многом не завершенной картине мира.

События, положившие начало процессу смены картины мира, связаны с открытием рентгеновских лучей и радиоактивности (1895-1896 гг.), открытием электрона (1897 г.), структуры кристалла (1912 г.), нейтрона (1932 г.), деления ядра атома (1938 г.) и т.д., а также с теоретическими работами: квантовой теорией М.

Планка (1900 г.), специальной теорией относительности А.Эйнштейна (1905 г.), атомной теорией Резерфорда — Н.Бора (1913 г.), общей теорией относительности А.Эйнштейна (1916 г.), волновой механики Л.де Бройля и Э.Шредингера (1923-1926 гг.) и т.д.

Две концепции — теория квантов и теория относительности — стали фундаментом для новых физических концепций.

Источник: https://cyberpedia.su/6xbbb1.html

Научная революция в физике

Научная революция в физике.

В настоящее время физика обладает сложной структурой. В ней все ее разделы взаимосвязаны друг с другом. Эта связь — проявление глубокой связи между объектами материального мира и процессами, которые с ними происходят.

Роль физики в современном мире

Физика – это ведущая наука в области естествознания. С другой стороны, она формирует основание для всех остальных областей естественного знания. Методы исследований, сформировавшиеся в глубине физики, перекочевали в другие науки.

Во взаимодействии с физикой возникло много других наук, например:

  • астрофизика,
  • физическая химия,
  • математическая физика,
  • биофизика и др.

Физика применяет математический язык для записи своих законов, являющихся фундаментальными соотношениями между измеряемыми параметрами.

Физика стала теоретическим основанием техники. Результаты, которые получают в данной науке:

  • стимулируют развитие техники,
  • приводят к техническим революциям,
  • возникновению новых технологий и новых отраслей техники.

С другой стороны, совершенствование техники приводит к возникновению новых методов исследования в физике, приводящих к прогрессу в самой науке и смежных с ней дисциплин.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Существенно увеличилось взаимодействие физики и техники в середине XX века. В это время человечество пришло к научно-технической революции.

Основной особенностью научно- технической революции является активное развитие и окончание процесса трансформации науки в производительную силу общества. При этом происходит углубление и разрастание связей науки со всеми областями жизни общества, увеличение ее социальной роли.

Замечание 1

В системе «наука – техника –производство» наука играет главенствующую роль. Большое значение в научно-технической революции XIX – XX веков имели научные открытия в физике.

Физика сделала самый большой вклад в научно-технический прогресс и революционизировала и науку, и способ производства.

Эволюция в науке

Физика, как и любая другая наука, имеет свою внутреннюю логику развития. Свои особенности эволюции. М. Планк отмечал, что для определения направления развития физики, существует только один способ — сравнение ее современного состояния с тем состоянием, в котором она была раньше.

Наука является исторически обусловленным способом создания знаний. Заметим, что развитие науки является не просто механическим процессом их аккумуляции.

Понятие революции в науке

В науке иногда создаются ситуации, когда возникновение новых знаний не объясняется в пределах имеющихся теорий, в этом случае начинают поиск новых интенсивных путей движения науки вперед. Это обычно приводит время от времени к научным революциям.

Определение 1

Революцией в науке считают радикальную ломку основных структурных компонент науки, предложение новых принципов познания, новых категорий и методов исследования.

Экстенсивные и революционные периоды развития науки чередуются при развитии науки как единого целого, так и ее отдельных разделов.

Точки роста науки в настоящее время появляются при пересечении внутренней логики науки и потребностей общества.

Фундаментальные идеи в физике и сформированные на их основании теории служат определяющими для революционных моментов в развитии физики.

Научные революции, которые связаны с фундаментальными идеями, дают старт новому этапу в развитии науки, новым картинам мира. В данном случае идет принципиальная ломка структуры старых понятий и теорий, основополагающих законов и положений. В результате изменяется весь категориальный строй и способ мышления представителей научного сообщества.

М. Планк отмечал то, что первым поводом к пересмотру и преобразованию физической теории является наличие одного или нескольких фактов, которые противоречат старой теории.

Иногда решающей является роль отдельных ученых в прогрессе науки. Например, Г. Галилей, И. Ньютон, М.В. Ломоносов, своим творчеством во многом обеспечили перелом в развитии физики как науки. Революционные этапы развития науки связаны с именами М. Фарадея, Дж. Максвелла, М. Планка, А. Эйнштейна, Л. де Бройля, Н. Бора.

Замечание 2

Система названных выше условий, которые взаимосвязаны, становится определяющей для поступательного движения науки и эволюции научной картины мира.

Периоды развития физики как науки

Схема периодизации физики можно представить в следующем виде.

Предыстория физики. В данный период появляются элементы физических знаний. Данный период в свою очередь делят на эпоху античности, средние века и эпоху возрождения. Длительность периода определяют с VI в до нашей эры по XVI век.

На этом этапе физики происходило накопление физических знаний об отдельных природных явлениях, появлялись отдельные учения. Деление периода проводят в соответствии с этапами в развитии общества.

Период становления физики в качестве науки. Длительность с начала XVII века по 80- годы XVII века.

XVII век стал началом систематического использования экспериментального метода в физике. Основоположником данного метода являлся Г. Галилей. Цель науки Галилей видел в отыскании причин явлений, а задачу ученого в исследовании «великой книги природы». Галилей открыл первый этап развития этого периода физики, а завершает его И. Ньютон.

В этот период формирования физики как науки было получено много новых сведений. Созданы основы электро- и магнитостатики (Гильберт). Открыты многие законы оптики (преломления света (Снеллиус), дисперсия (Ньютон), дифракция и интерференция (Гримальди), двойного лучепреломления (Бартолин), поляризации (Гюйгенс) и многое другое).

При этом разнородные знания еще не объединены в единую систему, которая бы охватила всю природу.

Классическая физика. Развитие данного периода делят на три этапа. Общая продолжительность с конца XVII по начало XX века.

Ньютон завершил создание классической механики и построил первую научную механическую картину мира с абсолютным временем и пространством, концепцией дальнодействия. Данная концепция долго господствовала в науке.

Конец XIX – начало XX века дали физикам факты, приведшие к революции в этой науке. До этого около 200 лет многие поколения ученых полагали, что сущность явлений в физике сводится к механическому движению. Механика Ньютона — ключ к пониманию всех явлений природы.

Первым ударом по теории Ньютона стала теория электромагнитного поля Максвелла. Развитие этой теории углубило ее противоречия с классической механикой и привело к пересмотру фундаментальных положений физики. Теория Максвелла вторая фундаментальная теория в физике.

Период физики современности.

Основанием нового этапа физики стала теория относительности и квантовая теория. А. Эйнштейн создал третью физическую теорию – специальную теорию относительности. Переход от классической физики к современной можно охарактеризовать не только наличием новых идей, концепций и понятий, но и новых способов мышления, нового языка формул.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/nauchnaya_revolyuciya_v_fizike/

Научная революция в физике в первой трети XX в. и её вершина – квантово-релятивистские теории

Научная революция в физике.

5.1. Экспериментальный прорыв в микромир; кризис классической физики; электромагнитно-полевая картина мира.

Лавина экспериментальных открытий: рентгеновские лучи, радиоактивность, электрон, эффект Зеемана (В. К. Рентген, А. Беккерель, Дж. Томсон, М. Складовская-Кюри, П. Кюри, Э. Резерфорд и др.). Кризис клас-сической физики: проблемы эфирного ветра (А. Майкельсон, Х. А. Лоренц, Дж. Фитцджеральд и др.

), распределения энергии в спектре чёрного тела (В. Вин, О. Люммер, Э. Принсгейм, Г. Рубенс, Ф. Курлбаум, М. Планк), статистического обоснования 2-го начала термодинамики (Больцман, Гиббс и др.); критика классико-механической картины мира (Э. Мах, П. Дюгем, А. Пуанкаре). Электронная теория Х. А.

Лоренца и электромагнитно-полевая картина мира.

5.2. Квантовая теория излучения М. Планка. Световые кванты А. Эйнштейна (1900-е гг.).

Предыстория: понятие абсолютно чёрного тела, законы теплового излу-чения (Г. Кирхгоф, Й. Стефан, Л. Больцман). Проблема распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела и её светотехнические истоки. Первые попытки решения проблемы: формулы В. А. Михельсона, В. Вина, Дж. Релея, М. Планка.

Квантовая гипотеза Планка; постоянная Планка; планковский закон излучения. Световые кванты Эйнштейна и квантовая теория фотоэффекта. Открытия Эйнштейном корпускулярно-волнового дуализма для света.

Введение понятия индуцированного излучения и вывод на его основе формулы Планка (Эйнштейн): важное значение этого понятия для квантовой электроники.

5.3. Специальная теория относительности (1900-е гг.).

Сокращение Фитцджеральда – Лоренца и преобразования Лоренца, А. Пуанкаре и Эйнштейна (1904–1906 гг.) — создание фундамента специальной теории относительности.

Завершение теории Эйнштейна: аксиоматика теории, операционально-измерительная и релятивистская трактовка теории, отказ от эфира. Экспериментальное подтверждение теории относительности. Четырёхмерная формулировка теории Г. Минковским.

Релятивистская перестройка классической физики. Возникновение на основе теории относительности теоретико-инвариантного подхода.

5.4. Общая теория относительности. Релятивистская космология. Проекты геометрического полевого синтеза физики (1910–1920-е гг.).

Положение в теории тяготения на рубеже XIX и XX вв. Принцип эквивалентности Эйнштейна, основанный на релятивистском истолковании равенства инертной и гравитационной масс.

Тензорно-геометрическая концепция гравитации. Открытие общековариантных уравнений гравитационного поля — завершение основ теории. Возникновение релятивистской космологии: от А. Эйнштейна до А. А. Фрид-мана. Последующее развитие теории (гравитационные волны, закон сохранения энергии-импульса и теоремы Э. Нетер и др.) и её экспериментальное подтверждение (А. Эддингтон и др.).

Проекты единых теорий поля, основанные на идее геометризации физических взаимодействий, и их неудачи (теории Г. Вейля, Т. Калуцы, А. Эйнштейна). Эвристическое значение единых теорий поля.

5.5. Квантовая теория атома водорода Н. Бора и её обобщение

(1910–1920-е гг.).

Сериальные спектры и ранние модели структуры атомов. Открытие Э. Резерфордом ядерного строения атомов. Квантовая теория атома водорода Бора. Принцип соответствия Бора. Квантовые условия Бора – А. Зоммерфельда.

Объяснение оптических и рентгеновских спектров атомов. Попытки объяснения периодической системы элементов. Принцип запрета В. Паули и спин электрона. Трудности теории. Квантовая теория дисперсии и гипотеза Н. Бора, Х. Крамерса и Дж.

Слэтера о статистическом характере закона сохранения энергии и импульса.

5.6. Квантовая механика (1925–1930-е гг.).

Квантовая механика в матричной форме (В. Гейзенберг, М. Борн, П. Иордан). Волны вещества Л. де Бройля и волновая механика Э. Шредингера. Экспериментальное подтверждение волновой природы микрочастиц (К. Дэвиссон, А. Джермер, Дж. П. Томсон). Развитие операторной формулировки квантовой механики (П. Дирак и др.) и доказательство эквивалентности её различных форм.

Вероятностная интерпретация квантовой механики (М. Борн). Принципы неопределённости (Гейзенберг) и дополнительности (Бор) – основа физической интерпретации квантовой механики. Проблема причинности в квантовой механике и дискуссии между Бором и Эйнштейном. Квантовые статистики, симметрия и спин.

Важнейшие приложения квантовой механики (в частности, работы советских учёных Я. И. Френкеля, В. А. Фока, Л. И. Мандельштама, И. Е. Тамма, Г. А. Гамова, Л. Д. Ландау). Открытие комбинационного рассеяния света (Ч. Раман, Л. И. Мандельштам, Г. С. Ландсберг). Основные центры и научные школы отечественной физики в 1920–1940-е гг. (школы А. Ф. Иоффе, Д. С.

Рождественского, Л. И. Мандельштама, С. И. Вавилова, Л. Д. Ландау и др.).

5.7. Квантовая электродинамика, релятивистская квантовая теория электрона и квантовая теория поля (1927–1940-е гг.).

Проблема квантования электромагнитного поля до создания квантовой механики (П. Эренфест, П. Дебай, А. Эйнштейн). Квантовая теория излучения П. Дирака. Релятивистские волновые уравнения (Э. Шредингер, О. Клейн, В. А. Фок, В. Гордон).

Уравнение Дирака для электрона, включающее теорию спина. Дираковские теория “дырок” и открытие позитрона. Общая схема построения квантовой теории поля по В. Гейзенбергу и В. Паули. Соотношение неопределённостей в квантовой электродинамике. Проблема расходимостей и её решение в конце 40-х гг. (Р. Фейнман и др.). Экспериментальное подтверждение квантовой электродинамики.

5.8. Физика атомного ядра и элементарных частиц (от нейтрона до мезонов). Космические лучи и ускорители заряженных частиц (1930–1940-е гг.).

1932 г. — решающий год в развитии физики ядра и элементарных частиц (открытие Дж. Чедвиком нейтрона, гипотеза Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберга о протонно-нейтронном строении ядра, первые ядерные реакции с искусственно ускоренными протонами и др.).

Эффект Вавилова — Черенкова, его объяснение и последующее применение в ядерной физике (П. А. Черенков, И. Е. Тамм, И. М. Франк — первая отечественная Нобелевская премия по физике). Космические лучи. Первые ускорители заряженных частиц. Первые теории ядерных сил (И. Е. Тамм, В. Гейзенберг, Х. Юкава).

Открытие сильных и слабых взаимодействий элементарных частиц. Ядерные модели. Искусственная радиоактивность. Воздействие нейтронов на ядра (Э. Ферми, И. В. Курчатов и др.). Открытие ядерного деления (О. Ган и Ф. Штрассман, Л. Мейтнер и О. Фриш), теория деления Бора – Дж. Уилера и Я. И. Френкеля.

Принцип автофазировки (В. И. Векслер, Э. Мак-Миллан) и разработка нового поколения циклических ускорителей.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/6_70058_nauchnaya-revolyutsiya-v-fizike-v-pervoy-treti-XX-v-i-ee-vershina--kvantovo-relyativistskie-teorii.html

Научная революция в физике начала ХХ века: возникновение релятивистской и квантовой физики (стр. 1 из 6)

Научная революция в физике.

1. Создание специальной теории относительности (СТО)

1.1.Фундаментальные противоречия в основаниях классической механики

После создания теории электромагнитного поля и экспериментального доказательства его реальности перед физикой встала задача выяснить, распространяется ли принцип относительности движения (сформулированный в свое время еще Галилеем) на явления, присущие электромагнитному полю. Принцип относительности Галилея был справедлив для механических явлений. Во всех инерциальных системах (т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению в другу) применимы одно и те же законы механики. Но справедлив ли этот принцип, установленный для механических движений материальных объектов, для немеханических явлений, особенно тех, которые представлены полевой формой материи, в частности электромагнитных явлений? Корни теории относительности лежат именно в этом комплексе проблем физики конца ХIХ века.

Ответы на эти вопросы лежали в области изучения закономерностей взаимосвязи движущихся тел с эфиром, но не как с механической средой, а как со средой, являющейся носителем электромагнитных колебаний.

Отдаленные истоки такого рода исследований складывались еще в ХVIII веке в оптике движущихся тел.

Впервые вопрос о влиянии движения источников света и приемников, регистрирующих световые сигналы, на оптические явления возник в связи с открытием аберрации света английским астрономом Брадлеем в 1728 г.

Вопрос о влиянии движения источников и приемников света на оптические явления для волновой теории света был значительно более сложным, чем для теории, основанной на представлении о корпускулярной природе света. Решение этого вопроса требовало введения ряда допущений.

Эти гипотетические допущения касались явлений, которые было очень сложно выяснить в опыте: как взаимодействуют весомые тела и эфир (полагали, что эфир проникает в тела); отличается ли эфир внутри тел от эфира, находящегося вне их, и если отличается, то чем; как ведет себя внутри эфир тел при их движении, и т. д.

Возрождавший волновую теорию света в начале XIX в. Т. Юнг, касаясь вопросов оптики движущихся тел, уже обратил на это внимание. Он отметил, что явление аберрации света может быть объяснено волновой теорией света, если предположить, что эфир повсюду, в том числе и внутри движущихся тел, остается неподвижным.

В этом случае явление аберрации объясняется, как и в корпускулярной теории света.

В 1846 г. английский ученый Стокс разработал новую теорию аберрации на основе аналогий с гидродинамикой. Он исходил из предположения, что Земля при своем движении полностью увлекает окружающий ее эфир, так что скорость эфира на поверхности Земли в точности равна ее скорости.

Но последующие слои эфира движутся все медленнее и медленнее, и это обстоятельство и вызывает искривление волнового фронта, что и воспринимается как аберрация. Из этой теории следует, что в любых оптических опытах, проведенных на Земле, не может быть обнаружена скорость ее движения.

Существовала и третья точка зрения. Она принадлежала Френелю, которому пришла очень интересная идея о частичном увлечении эфира движущимися телами. Френель показал также, что коэффициент увлечения имеет порядок ( v / c ) І , а значит опытная проверка этой идеи требует очень точного эксперимента.

Сравнивая свою теорию с теорией Френеля, Стокс указывал, что эти теории хотя и основываются на противоположных гипотезах, но практически приводят к одним и тем же результатам.

Принципиальная сторона вопроса сводилась в сущности к двум возможным гипотетическим допущениям. Первое допущение состояло в том, что эфир полностью увлекается движущейся системой.

Целый ряд опытов, которые были поставлены еще в ХIХ веке, показал, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат, независимо от того, движется ли излучающий источник или нет, и независимо от того, как он движется. Таким образом, гипотеза о том, что эфир полностью увлекается движущейся системой позволяла придерживаться принципа относительности, но тем не менее противоречила опыту.

Второе допущение прямо противоположно первому: движущаяся система проходит через эфир, не захватывая его. Это предположение по сути отождествляет эфир с абсолютной системой отсчета и приводит к отказу от принципа относительности Галилея, ведь в системе координат, связанной с эфирным морем, законы природы отличаются от законов во всех других системах.

Таким образом, только в одной системе координат, которая связана с неподвижным эфирным морем, скорость света была бы одинакова во всех направлениях. В любой другой системе, движущейся относительно эфирного миря, она зависела бы от направления, в котором производилось измерение.

А это значит, что для того, чтобы проверить эту вторую гипотезу, необходимо измерить скорость света в двух противоположных направлениях.

Для этого воспользовались движением Земли вокруг Солнца: скорость света в направлении движения Земли отличалась бы от скорости света в противоположном направлении.

Очевидно, что если Земля не увлекает при своем движении окружающий эфир, то в первом случае эта скорость равна с1 = с — n = c(1 — n /c), а во втором случае с2 = c(1 + n /c), где n — скорость Земли. Таким образом, разница в скорости света в первом и втором случаях первого порядка малости относительно n /c.

Однако для проведения такого опыта нужно уметь измерять время, необходимое для прохождения светом известного расстояния в определенном направлении, например в направлении движения Земли. А эта задача экспериментально неразрешима.

Поэтому во всех проводимых на Земле опытах по определению скорости света эта скорость определяется по времени, которое требуется для прохождения светом расстояния в прямом и обратном направлениях.

Следовательно, для того чтобы определить влияние движения Земли на скорость света, остается возможность сравнить время прохождения светом определенного расстояния L туда и обратно один раз вдоль движения Земли, а другой раз, в направлении, перпендикулярном этому движению. Но в этом случае разница во времени в первом и втором случаях является величиной уже второго порядка малости относительно n /с, т. е. величиной порядка n 2/с2.

Таким образом, хотя принципиально с помощью эксперимента и можно решить вопрос о поведении эфира при движении Земли, тем не менее вследствие малости величины n 2/с2″ 10-8, ожидаемый эффект должен быть чрезвычайно мал. И тем не менее такой эксперимент был в 1887 г. осуществлен Майкельсоном и Морли. Результаты этого эксперимента достоверно свидетельствовали, что скорость света не испытывает влияния движения Земли.

Это поставило второе допущение в исключительно затруднительное положение. Для того, чтобы спасти его Фитцджеральд и независимо от него Лоренц высказали в 1892 г. оригинальную гипотезу.

Суть ее состоит в том, что отрицательный результат опыта Майкельсона — Морли может быть объяснен тем, что каждое движущееся в эфире тело сокращает свои размеры в направлении своего движения относительно эфира. Согласно этой гипотезе, размеры тел при движении в эфире уменьшаются в направлении движения в 1: (1-n 2/с2)1/2 раз.

Эта гипотеза совместно с гипотезой неувлекаемого, всюду неподвижного эфира чисто формально объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона. Но никаких разумных теоретических соображений о причинах изменения размеров тел она не выдвигала.

Более того, гипотеза Фитцжеральда — Лоренца предполагает, что вообще не существует никаких (ни эмпирических, ни теоретических) средств, позволявших бы решить вопрос о том, движется ли тело относительно эфира или покоится.

Таким образом, к рубежу ХIХ-ХХ веков развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных оснований классической механики:

1. Скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света.

2. В двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности).

3. Координаты и скорости преобразовываются от одной инерциальной системы к другой согласно классическим преобразованиям Галилея.

Было ясно, что эти три положения не могут быть логически объединены друг с другом, поскольку они несовместимы.

Долгое время все усилия многих физиков были направлены на то, чтобы попытаться каким-либо образом изменить первые два из этих трех положений, оставив неизменным третий как само собой разумеющийся.

С другой стороны, немалые усилия были потрачены на то, чтобы опытным путем, постановкой множества экспериментов доказать верность, истинность первых двух положений. В конце концов появилась даже идея замены преобразований Галилея, но она выступила лишь в виде гипотезы a d h o c .

Французский математик и физик Анри Пуанкаре (1854 — 1912) обратился к проблемам, рассмотренным Лоренцем. В отличие от последнего, Пуанкаре сразу исходил из принципа относительности, который он распространил на оптические и любые явления природы.

Пуанкаре ближе всего подходил к основным представлениям теории относительности, а в разработке математического аппарата он был даже впереди Эйнштейна.

Но Пуанкаре так и не решился на полный разрыв с классическими принципами и представлениями, хотя и был близок к этому.

Внутренней логикой своего развития физика подводилась к необходимости найти нестандартный новый путь в разрешении фундаментальных противоречий в ее принципиальных основаниях. Этот путь и был найден великим физиком ХХ в. А. Эйнштейном (1879 — 1955) .

1.2. Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности (СТО)

В сентябре 1905 г. в немецком журнале «Аппа1еп der Physik» появилась работа Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения специальной теории относительности, которая объясняла и отрицательный результат опыта Майкельсона — Морли, и смысл преобразований Лоренца, и, кроме того, содержала новый взгляд на пространство и время.

Источник: https://mirznanii.com/a/172490/nauchnaya-revolyutsiya-v-fizike-nachala-khkh-veka-vozniknovenie-relyativistskoy-i-kvantovoy-fiziki

Booksm
Добавить комментарий