Концепция дальнодействия и близкодействия

Благодаря исследованиям и достижениям Эрстеда, Фарадея, Максвелла, Герца, Попова было показано, что материя существует не только в виде вещества, но и в виде поля. Признание реальности электромагнитного поля означало победу в физике концепции близкодействиянад общепринятой в XIX в. концепцией дальнодействия. Рассмотрим, в чем состоит суть этих концепций.

Дальнодействие и близкодействие – противоположные концепции, призванные объяснить общий характер взаимодействия физических объектов.

Сразу же после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем – после открытия Кулоном закона электростатического взаимодействия зарядов, возникли вопросы философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстоянии через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных ответов на данные вопросы. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия и передача взаимодействия, таким образом, происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, допускающей действие вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя сам Ньютон понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, тяготения) являются лишь формальным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений.

В исследованиях по электричеству и магнетизму концепция дальнодействия незадолго до исследований Фарадея одержала победу над господствовавшей долгое время механистической концепцией близкодействия, по которой взаимодействующие тела должны соприкасаться. Эта победа привела к ряду важных теорий и законов (закон Кулона, электродинамика Ампера). Однако к середине XIX в. идея о необходимости отказа от дальнодействия в электродинамике, признания принципа близкодействия и конечной скорости распространения электромагнитных возмущений начала овладевать умами ученых (Гаусс, Риман), однако никто, кроме Максвелла, не разработал эту идею и не довел ее до степени научной теории.

Концепция близкодействия утверждает, что любое воздействие на материальные объекты может быть передано лишь от данной точки пространства к ближайшей соседней точке и за конечный промежуток времени. В теории электромагнетизма Максвелла было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света в пустоте – 300000 км/с.

Таким образом, выработка концепции физического поля способствовала упрочению концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие типы взаимодействий.

Развитие концепций пространства и времени в специальной теории относительности

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались безотносительно к свойствам движущейся материи. Пространство выступало в ней как своеобразное вместилище для движущихся тел, а время – как параметр, знак которого можно менять на обратный. Другой особенностью механистической картины мира является то, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего их связь не устанавливается.

Принцип относительности

Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности, сформулированный Галилеем в рамках классической механики, не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

В 1905 г. французский математик и физик А. Пуанкаре (1854–1912) сформулировал принцип относительности как общий физический закон, справедливый и для механических и электромагнитных явлений. Согласно этому принципу, законы физических явлений должны быть одинаковы как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения. На основе принципа относительности развилась новая физическая теория пространства и времени – специальная теория относительности.

А. Пуанкаре первым высказал мысль о том, что принцип равноправия всех инерциальных координатных систем должен распространяться и на электромагнитные явления, т.е. принцип относительности применим ко всем явлениям природы. Это вело к необходимости пересмотра представлений о пространстве и времени. Однако Пуанкаре не указал на необходимость этого. Это было впервые сделано А. Эйнштейном (1979–1955).

Специальная теория относительности – физическая теория, рассматривающая пространство и время как тесно связанные между собой формы существования материи. Специальная теория относительности была создана в 1905–1908 гг. трудами Х. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского на основе анализа опытных данных, относящихся к оптическим и электромагнитным явлениям, обобщением которых являются постулаты:

· принцип относительности,согласно которомувсе законы природы должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;

· принцип постоянства скорости света, согласно которому скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Принцип относительности в формулировке Эйнштейна представляет собой обобщение принципа относительности Галилея, сформулированного лишь для механического движения. Этот принцип следует из целого ряда опытов, относящихся к электродинамике и оптике движущихся тел.

Точные опыты Майкельсона в 80-х годах XIX в. показали, что при распространении электромагнитных волн скорости не суммируются. Например, если вдоль направления движения поезда, скорость которого равна v₁, послать световой сигнал со скоростью v_2, близкой к скорости света в вакууме, то скорость перемещения сигнала по отношению к платформе оказывается меньше суммы v₁+v₂ и вообще не может превышать скорость света в вакууме. Скорость распространения светового сигнала не зависит от скорости движения источника света. Этот факт вступил в противоречие с принципом относительности Галилея.

Принцип постоянства скорости света может быть, например, проверен при измерении скорости света от противоположных сторон вращающегося Солнца: один край Солнца всегда движется к нам, а другой – в противоположную сторону. Несмотря на движение источника, скорость света в пустоте всегда одинакова и равна с=300000 км/с.

Эти два принцип противоречат друг другу с точки зрения основных представлений классической физики.

Возникла дилемма: отказ либо от принципа постоянства скорости света, либо от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно и однозначно, что отказ от него был бы явно неоправданным и к тому же связан с чрезмерным усложнением описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.

Кажущееся противоречие принципа относительности закону постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась "на две ничем не оправданные гипотезы":

· промежуток времени между двумя событиями не зависит от состояния движения системы отсчета;

· пространственное расстояние между двумя точками твердого тела не зависит от состояния движения системы отсчета.

Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными, гипотез классическая механика молчаливо признавала, что величины промежутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, т.е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Выходило, что если человек в равномерно движущемся вагоне проходит, например, расстояние в 1 метр за одну секунду, то этот же путь по отношению к полотну дороги он пройдет тоже за одну секунду. Аналогично этому считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются одинаковыми. И хотя эти предположения с точки зрения обыденного сознания и здравого смысла кажутся само собой очевидными, тем не менее, они не согласуются с результатами тщательно проведенных экспериментов, подтверждающих выводы новой, специальной теории относительности.

3.4.2. Преобразование Лоренца

Эйнштейн при работе над специальной теорией относительности не отказался от принципа относительности, а, напротив, придал ему более общий вид. При этом потребовалось коренным образом преобразовать понимание пространства и времени, одним словом, создать принципиально новую теорию изменения пространственно-временных отношений между объектами.

Рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времени, то уравнения преобразования, называемые преобразованием Галилея, будут иметь следующий вид:

x = x’ + vt’,

y = y’,

z = z’,

t = t’.

Однако признание принципа постоянства скорости света требовало замены преобразования Галилея другими формулами, не противоречащими этому принципу. Эйнштейн показал, что таким преобразованием, не противоречащим принципу постоянства скорости, является, так называемое преобразование Лоренца, названное по имени нидерландского физика Х. А. Лоренца (1853–1928).

В случае, когда одна система отсчета движется относительно другой равномерно и прямолинейно вдоль оси абсцисс х, формулы преобразования Лоренца, включающие преобразование времени имеют вид:

x = (x’+vt’)/(1-v²/c²)^1/2 ,

y = y’ ,

z = z’ ,

t = (t’+vx’/c²)/(1-v²/c²)^1/2 ,

где v – скорость движения системы координат  (x’,y’,z’) относительно системы координат  (x,y,z),  c – скорость света.

Опираясь на преобразования Лоренца, легко проверить, что твердая линейка, движущаяся в направлении ее длины, будет короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется. В самом деле, используя первое уравнение преобразования Лоренца, получим, что длина движущейся линейки относительно неподвижной системы отсчета l=l₀(1–v²/c²)^1/2 , где l₀ – длина линейки в системе отсчета, связанной с линейкой.

Релятивистская механика

Специальная теория относительности возникла из электродинамики и мало чем изменила ее содержание, но зато значительно упростила ее теоретическую конструкцию, т.е. вывод законов и, самое главное, уменьшила количество независимых гипотез, лежащих в ее основе.

С классической механикой дело обстоит несколько иначе. Для того, чтобы согласоваться с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти изменения касаются в основном законов быстрых движений, т.е. движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В обычных земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину и ими во многих случаях практически можно пренебречь.

Новая механика, основанная на специальном принципе относительности Эйнштейна, который представляет собой объединение принципа относительности с утверждением о конечности максимальной скорости распространения взаимодействия, получила название релятивистской механики.

Основными выводами релятивистской механики являются утверждения о том, что масса тела m, его длина l и длительность события D t зависят от величины отношения скорости тела v к скорости света c и определяются формулами:

m = m₀ /(1 - v²/c²)^1/2,

l = l₀ (1 -v²/c²)^1/2,

Dt =Dt₀ /(1 - v²/c²)^1/2,

где m₀ , l₀ , Dt₀ – масса тела, его длина и длительность события в системе отсчета, связанной с телом.

Например, если два космических корабля находятся в состоянии относительного движения, то наблюдатель на каждом из кораблей будет видеть другой корабль сократившимся в направлении движения, а космонавтов – похудевшими и передвигающимися замедленно. Все явления с периодическими движениями будут казаться замедленными, - движение маятника, колебание атомов и т.д. При обычных скоростях эти изменения чрезвычайно малы: Земля, которая движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/час, показалась бы наблюдателю, покоящемуся относительно Солнца, сократившейся всего лишь на несколько сантиметров. Когда относительные скорости очень велики, изменения становятся значительными.

В дополнение к изменениям длины и времени, релятивистская механика дает релятивистское изменение массы.

Масса тела, определяемая путем измерения силы, необходимой для сообщения телу данного ускорения, называется инертной массой. Для наблюдателя, находящегося в космическом корабле и покоящегося относительно какого-то предмета инертная масса этого предмета, остается одной и той же независимо от скорости корабля v и называется массой покоя. Инертная масса этого предмета для наблюдателя, находящегося на Земле, называется релятивистской массой и зависит от относительной скорости наблюдателя и объекта наблюдения. Когда скорость тела приближается к скорости света, масса его неограниченно растет и в пределе приближается к бесконечности. Поэтому согласно теории относительности движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны.

Из релятивистской механикиможно вывести закон взаимосвязи массы и энергии, играющий фундаментальную роль в ядерной физике:

E = mc²,

где m – масса тела,  E – его энергия.

Экспериментальная проверка основных выводов релятивистской механики используется для обоснования специальной теории относительности Эйнштейна, подтверждаемой ежедневно в лабораториях ученых – атомщиков, работающих с частицами, движущимися со скоростями, близкими к скорости света. Движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере электронов, а затем и других элементарных частиц. Тщательно поставленные эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания специальной теории относительности об увеличении их массы с возрастанием скорости.

При обычных скоростях v << c релятивистская механика переходит в классическую механику Ньютона. Достаточно, например, отметить, что даже при скорости движения спутника Земли, равной примерно 8 км/с, поправка к массе составит около одной двухмиллиардной ее части. В 1928 г. Английский физик П. Дирак объединил специальную теорию относительности и квантовую механику (механику микрочастиц) в релятивистскую квантовую механику, описывающую движение микрочастиц при скоростях, близких к скорости света.