Волновая и электромагнитная теории света, понятие об эфире
Максвелл считал, что одной из частных разновидностей электромагнитных волн являются световые волны.Скорость света была измерена достаточно точно французом Физо в 1848 г. Она оказалась очень большой – около 300 000 км/сек, но конечной. Следовательно, сила, действующая на расстоянии, распространяется с конечной скоростью, не мгновенно.Физики ревностно относятся к скорости света. Дело не в видимом свете как частном феномене, дело в скорости действия поля. Свет – проявление действия электромагнитного поля. Что будет, если некоторый заряд будет двигаться со скоростью, превышающей скорость света? Этот вопрос можно поставить так: что будет, если тело, определяющее характеристики пространства, выскочит за пределы пространства, характеристики которого оно определяет? Допустим, два одноименных электрических заряда несутся навстречу друг другу со скоростями, превышающими скорость света. Они должны встретиться в некоторой точке, где силы отталкивания должны быть большими. Допустим, наши тела – две струи разреженного ионизированного газа. Они пройдут друг сквозь друга, не провзаимодействовав, поскольку поле за ними не угонится. А когда поле доковыляет до точки встречи струй, что оно будет отталкивать?Как можно определить из данного предположения, силы, действующие на заряды, как-то зависят от скорости движения зарядов.Если свет – разновидность электромагнитных колебаний…На природу света существовали две точки зрения. Одна, восходящая к Аристотелю и продолженная Ньютоном, толковала свет как поток мелких частиц. Современник Ньютона Гюйгенс разработал волновую теорию света. Она объясняла все известные к тому времени явления и позволила создать совершенные оптические приборы, которые мало изменились со второй половины XVIII. Классическими волновыми явлениями, с которыми знакомят школьников, являются дифракция и интерференция света. Интерференция – это наложение в данной точке двух световых волн, которые, будучи в противофазе, взаимно погашают друг друга, а при совпадении по фазе – усиливают.
Дифракция света – феномен "огибания" препятствия волновым фронтом. Давно известна также длина световой волны для каждого чистого цвета спектра.Однако, если свет – это волновые колебания, то что же колеблется? Со вздохом приходится признать – эфир, старый добрый Аристотелев эфир. Свет – тот же звук, только в эфире. Странное это вещество – с одной стороны, оно твёрдое, поскольку колебания его – поперечные (колебания в жидкости и газе – продольные), с другой стороны, абсолютно лишенное упругости (хоры стройные светил движутся в нём без всякого сопротивления). Он вездесущ. Помните «торричеллиеву пустоту» - вакуум XVII века? В длинную стеклянную запаянную с одного конца трубку наливаем ртуть, переворачиваем слепым концом вверх – ртутный столб держится на атмосферном давлении, а над ним – пустота. Но эфир там есть – ведь свет через эту пустоту проходит. Как он там оказался? А главное – никто не может его получить. Наш Менделеев сколько времени убил в попытках выделить эфир – и всё напрасно.
Казалось бы, что Максвелл мог бы обойтись без эфира, но и он считал, что электромагнитные волны распространяются именно в эфире. По разным причинам физики видели пространство чем-то заполненным, пустое «чистое пространство», пространство без материи непредставимо. Эфир для физиков XIX в. - абсолютно неподвижнаясреда.
Опыты Майкельсона и их значение
Суть их в следующем. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек. Луч света, пущенный с Земли по ходу её движения, должен двигаться на 30 км/ч быстрее, чем пущенный перпендикулярно орбитальной скорости, а свет, пущенный «назад» - на 30 км/час медленнее. Прибор, построенный Майкельсоном, был достаточно чувствительным, чтобы уловить разницу в скоростях света такого порядка, однако он не зарегистрировал её. Другие физики, заинтригованные парадоксальным результатом Майкельсона, тоже не могли её зафиксировать.В 1904 г. Х. Лоренц, знаменитый специалист в области теории электричества, нобелевский лауреат 1902 г. по физике, опираясь на гипотезу Фицджеральда, предположил, что тела, движущиеся через эфир, сокращаются в длине и время их движения сокращается. В конце концов, что такое скорость? Путь, деленный на время. Если мы немного поманипулируем с путём и временем, то получим подгонку результатов опытов Майкельсона-Морли под нечто объяснимое: где x’ – длина тела, движущегося со скоростью v, x – длина этого тела в покое, t’ – время для тела, движущегося со
скоростью v, t – время процессов в покое, с – скорость света.Очевидно, что перед нами допущения ad hoc.
Физические и философские основы специальной теории относительности
Теории относительности в основе своей очень проста, потому что базируется всего на двух допущениях.Допущения:1. Все инерциальные системы отсчёта равны между собой. Инерциальные системы отсчёта – это тела, движущиеся с постоянной скоростью. Всю выделенную фразу следует понимать так: для всех физических тел, движущихся с постоянной скоростью, физические законы одинаковы.2. Скорость света постоянна, не зависит от скорости источника и приёмника света. Никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Собственно говоря, все физические законы будут одинаковы для инерциальных объектов, только если мы примем допущение о равенстве скорости света для всех.Следствия:Теперь пропустим оба допущения через математическую мясорубку и получим в результате преобразования Лоренца. Поверим, что математики всё сделали правильно, и они доказали не только справедливость, но и единственность полученных решений. Тогда получается, что уравнения Лоренца не есть допущения ad hoc, но следствие из очень широких обобщений.В этом случае при малых, земных скоростях v сокращение длин и времени будет так мало, что точность измерительных приборов не позволит его обнаружить. Сработает принцип соответствия: в механике Ньютона ничего менять не надо, это частный случай механики Эйнштейна – механика для малых скоростей.
Для случаев больших скоростей возникает вопрос: как быть с кинетической энергией тела, Е = ½ mv2, точнее, Е = ½m(v1 –v2)2 ? Поскольку пространство и время при увеличении скорости сокращаются, работа со скоростями, очевидно, требует больших ухищрений, чем в механике Ньютона. Из согласования этих вопросов с допущениями о равенстве физических законов на телах, движущихся с разными скоростями, получаем где m’ – масса тела, движущегося со скоростью v, m - его масса в покое. Причём для расчёта кинетической энергии получаем, что энергия тела, находящегося в покое – E ≈ mc2. Относительно чего движется тело со скоростью v? – относительно наблюдателя. Здесь главное - почувствовать симметричность преобразований Лоренца. Допустим, некоторый наблюдатель движется относительно Вас с большой скоростью и для него пара, на которой Вы сидите, кажется тянущейся целый год. Но пара, на которой сидит он, тоже будет тянуться для Вас целый год. Допустим, Вы послали лектора (ногами назад) со скоростью, близкой к скорости света, и для Вас он укоротился до 1 метра. Но и Вы окажетесь в его системе координат укоротившимися тем же образом.То есть, одно и то же тело для разных наблюдателей будет иметь разные размеры и участвовать в процессах разной продолжительности. Но если всех этих наблюдателей свести за одним столом, то их линейки и их часы покажут одинаковые значения.Парадоксальные на первый взгляд следствия из теории относительности не являются парадоксами в истинном смысле этого слова, то есть не находятся в противоречии с логикой. Одним из следствий теории относительности является неодновременность событий, оцененных в разных системах отсчёта. Но эта неодновременность не является нарушением причинных связей.
Последовательность событий в любой системе отсчёта остаётся одной и той же.Комментарий.Теория, основы которой заложены Эйнштейном в 1905 г., получила название частной или специальной теории относительности, поскольку рассматривала физику тел, движущихся только с постоянной скоростью. Эта удивительная теория, так же как и последовавшая за ней общая теория относительности на первый взгляд действительно кажется целиком выведенной «из головы». Она могла появиться и без опытов Майкельсона-Морли. Эта теория является чисто редукционной, так же как и гелиоцентрическая теория Коперника, возникает как следствие снятия логических противоречий старой теории путём удаления из неё ненаблюдаемых сущностей – абсолютного пространства и времени, связанных с эфиром, как более ёмкая переупаковка уже накопленных физикой данных.
Но при всех логических достоинствах частная теория относительности нуждалась в экспериментальной проверке. Пока она не технически не осуществима на макрообъектах, но элементарные частицы могут быть разогнаны на ускорителях до скоростей свыше 0,9999 от скорости света. Эти эксперименты показывают полное согласие теории с практикой – здесь наблюдается замедление времени, сокращение размеров и увеличение массы частиц согласно преобразованиям Лоренца.