Закон сохранения электрического заряда

где  - относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме  = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10^-15м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к бесконечности.

Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в 19 в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку вошло понятие поля. Начало этому было положено в работах М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле.

Открытие Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной до конца 19 в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма.
Электродинамика. В течение 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику. Важнейшими открытиями в области электричества явились Законы Ома, а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику.
Работы М.Фарадея. Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. (Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции). Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д. Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл подхватил идеи Фарадея о близкодействии и поле, утверждая, что мысли Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. (Действительно, вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

Разработав ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.

Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.

Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах 20 в.

В 1902 г. в опытах Кауфмана было обнаружено, что отношение заряда электрона к его массе не является постоянной величиной, а зависит от скорости (с ростом скорости оно уменьшается). Из теории следовало, что заряд постоянен. Значит, растет масса. Возник вопрос, как это понять? Ответ был дан позже в специальной теории относительности.
Специальная теория относительности (СТО)
Проблема равноправия инерциальных систем отсчета и мирового эфира.

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как время, масса, ускорение, сила остаются неизменными, т.е. инвариантными. В то же время координата, скорость, импульс, кинетическая энергия изменяются, т.е. являются вариантными. Инвариантность времени, массы, ускорения и силы при переходе от одной ИСО к другой и отражено в принципе относительности Галилея (механический принцип относительности).

Большой вклад в решение этого вопроса внесли исследования природы света и законов его распространения. В середине 19 в. были проведены довольно точные опыты по измерению скорости света. Оказалось, что в вакууме с =3×10⁸ м/с. Сразу же возник вопрос: в какой системе отсчета? В результате опытов Майкельсона было установлено, что скорость света в вакууме во всех системах отсчета независимо от величины и направления скорости их движения оставалась такой же, как и в системе отсчета, связанной с источником света. Это означало, что классический закон сложения скоростей для света не выполняется. Ведь из механики Галилея-Ньютона следовало, что .

Кроме того, возник вопрос: не является ли эфир, среда в которой распространяется свет «самой лучшей», «абсолютной системой отсчета»? Были выдвинуты и проверены гипотезы абсолютно неподвижного эфира, полного и частичного увлечения эфира движущимися телами. Однако при этом возникли большие трудности не только в разработке и постановке экспериментов, но и в истолковании их результатов.
Постулаты и основные следствия СТО

Принципиально новый подход к вышеупомянутым вопросам предложил Эйнштейн (1879-1955), разработавший в 1905 г. новую теорию пространства и времени, получившую название специальной теории относительности (СТО).

Основу СТО составляют два постулата (принципа):

1. Принцип относительности Эйнштейна. Этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях в ИСО протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).

2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе. Это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант. (Следует заметить, что это противоречит закону сложения скоростей в механике.)

Глубокий анализ этих постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона и отраженным в преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1 все законы природы, в том числе законы механики и электродинамики, должны быть инвариантны по отношению к одним и тем же преобразованиям координат и времени, осуществляемым при переходе от одной системы отсчета к другой. Уравнения Ньютона этому требованию удовлетворяют, а вот уравнения электродинамики Максвелла – нет, т.е. оказываются не инвариантными. Это обстоятельство привело Эйнштейна к выводу о том, что Уравнения Ньютона нуждаются в уточнении, в результате которого как уравнения механики, так и уравнения электродинамики оказались бы инвариантными по отношению к одним и тем же преобразованиям. Необходимое видоизменение законов механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся с принципом относительности Эйнштейна – релятивистская механика.

Итак, согласно релятивистской механике переход от одной ИСО к другой должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по другим. Ими стали преобразования Лоренца, из которых, как и из постулатов СТО вытекает ряд следствий. Рассмотрим некоторые из них.

Если V_x’ и V₀ намного меньше с, то релятивистский закон сложения скоростей переходит в классические преобразования Галилея для скоростей. Из этого закона следует также, что если скорость частицы относительно какой-либо инерциальной системы отсчета равна скорости света в вакууме, то она будет такой же относительно любой другой ИСО. Это означает, что если одна из скоростей равна с, то сумма скоростей тоже будет равна с. Таким образом, при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Это находится в соответствии со 2-м постулатом СТО.

где m₀ – масса покоя электрона, а m – его масса при скорости движения V (масса движения).

Если m₀ не равно нулю, то частица не может двигаться со скоростью V_x>=c, т.к. это соответствовало бы бесконечно большой или мнимой массе, что абсурдно. Если же масса покоя частицы m₀ = 0 (фотон, нейтрино), то ее скорость может быть только c. (Действительно, при V>c и V, m = 0, что отрицает само существование частицы.)

3. Относительность промежутка времени:

,

где t₀ – собственное время, т.е. промежуток времени по часам, движущимся вместе с объектом со скоростью V, t – промежуток времени по часам в неподвижной системе отсчета.

Таким образом, собственное время меньше времени по часам в неподвижной системе отсчета, т.е. физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются (относительно неподвижной системы!). Разумеется, это становится заметно только при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Замедление хода времени подтверждается в ядерной физике, в частности, в опытах с мюонами.

Отсюда так называемый «парадокс близнецов», часто обыгрывающийся в научно-популярной или научно-фантастической литературе. Он заключается в том, что если один близнец остается на Земле (неподвижная система отсчета), а другой улетает на ракете (движущаяся система отсчета), движущейся с субсветовой скоростью, то, возвратившись на Землю, он констатирует, что его брат-близнец стал намного старше его. На ракете промежуток времени, прожитый одним из близнецов, составил t₀, а для брата на Земле он оказался равным t, причем t > t₀.

4. Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е = mc², подтвержденная данными современной физики.
Основные идеи общей теории относительности (ОТО).

В 1916 г. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), над которой работал в течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы.

Теория тяготения Эйнштейна утверждает, что тяготеющие тела искривляют вокруг себя четырехмерное пространство-время. Трудно наглядно вообразить себе простое пространство-время, а тем более сложно это сделать, когда оно еще и искривленное. Но для математика или физика-теоретика и нет нужды в наглядных представлениях. Для них искривление означает изменение геометрических свойств фигур или тел. Так, если на плоскости отношение длины окружности к ее диаметру равно 2пи, то на искривленной поверхности или в "кривом" пространстве это не так. Геометрические соотношения там отличаются от соотношений в геометрии Евклида. И специалисту достаточно знать законы "кривой" геометрии, чтобы оперировать в таком необычном пространстве.

Тот факт, что четырехмерное пространство может быть искривленным, теоретически было показано в начале 19 века русским математиком Н.Лобачевским. В середине 19 века немецкий геометр Б.Риман стал рассматривать "искривленные" пространства не только с тремя измерениями, но и четырехмерные и вообще с любым числом измерений. С той поры геометрию искривленного пространства стали называть неевклидовой. Первооткрыватели неевклидовой геометрии не знали, в каких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя отдельные догадки об этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппарат был использован при формулировке общей теории относительности.

Итак, согласно основной идее А.Эйнштейна тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время. Пространство воздействует на материю, "указывая" ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратное действие на пространство, "указывая" ему, как искривляться.

В этом объяснении все необычно - и неподдающееся наглядному представлению искривленное четырехмерное пространство-время, и необычность объяснения силы тяготения геометрическими причинами. Физика здесь впервые напрямую связывается с геометрией.

После создания своей теории Эйнштейн указал на эффект, касающийся времени. Теория Эйнштейна предсказывает: в сильном поле тяготения время течет медленнее, чем вне его. Это означает, например, что любые часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем на поверхности Земли, ибо тяготение Солнца больше, чем тяготение Земли. По аналогичной причине часы на некоторой высоте над поверхностью Земли идут чуть быстрее, чем на самой поверхности.

В 1968 году американский физик И.Шапиро измерил замедление времени у поверхности Солнца очень оригинальным методом. Он проводил радиолокацию Меркурия, когда тот, двигаясь вокруг Солнца, находился от него с противоположной стороны по отношению к Земле. Радиолокационный луч проходил вблизи поверхности Солнца, и из-за замедления времени ему требовалось чуть больше на прохождение туда и обратно, чем на покрытие такого же расстояния, когда Меркурий находился вдали от Солнца. Эта задержка (около десятитысячной доли секунды) действительно была зафиксирована и измерена.

Итак, не может быть никакого сомнения в замедлении течения времени в гравитационном поле. В большинстве исследованных случаев изменение ничтожно мало, но астрономы и физики знают ситуации, когда разница в беге времени колоссальна.
Основные принципы ОТО сводятся к следующему:

· ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется);

· распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).

Из ОТО был получен ряд важных выводов:

1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.

В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как писал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. В 1919 г. научные экспедиции Лондонского Королевского общества, направленные для изучения солнечного затмения подтвердили правильность этого утверждения.

3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.

В результате этого эффекта линии солнечного спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников.

Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-26 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. при изучении спутника Сириуса. Все это явилось убедительным подтверждением ОТО.

Следует сказать, что ОТО произвела настоящий переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной. Вокруг теории относительности развернулись широкие дискуссии, в которые включились люди разных специальностей, появилось множество научных и научно-популярных книг. Философские дискуссии, так или иначе связанные с идеями СТО и ОТО продолжаются и по сей день.

Основные понятия и принципы ЭМКМ
Главная исходная идея ЭМКМ – это естественнонаучный материализм, а ее ядро – теория электромагнитного поля. ЭМКМ базировалась на следующих идеях:

· Непрерывность материи (континуальность),

· Материальность электромагнитного поля,

· Неразрывность материи и движения,

· Связь пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

Материя и движение. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность (континуальность) в противовес дискретности.

Пространство и время. В первоначальной ЭМКМ абсолютное и пустое пространство (как в МКМ) было заполнено мировым эфиром. Электромагнитное поле представлялось как колебания эфира. С неподвижным эфиром пытались связать абсолютную систему отсчета, самую простую, самую лучшую. Создание СТО привело к отказу от эфира.

Из постулатов СТО следовала относительность длины, времени и массы, т.е. их зависимость от системы отсчета. Из преобразований Лоренца, выведенных для перехода от одной ИСО к другой, следовало, что пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир (пространственно-временной континуум Минковского), являясь его проекциями. Свойства пространственно-временного континуума (метрика Мира, его геометрия) определяются распределением и движением материи.

Взаимодействие. В период становления и развития ЭМКМ физика знала два взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. В рамках этой картины Мира оба эти взаимодействия объяснялись исходя их понятия «поле». Это означало, что и то и другое взаимодействие передается с помощью промежуточной среды, т.е. поля со скоростью, равной скорости света. Таким образом, принцип дальнодействия МКМ был заменен принципом близкодействия. В рамках ЭМКМ А. Эйнштейном была предпринята попытка разработать единую теорию гравитационного и электромагнитного взаимодействия. После создания ОТО ученый до конца своей жизни работал над созданием единой теории поля – труд, непосильный для одного человека. (На сегодня создана теория поля, включающая три взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое. Включение в нее гравитационного взаимодействия до сих пор остается проблемой).

Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. (Какого-либо нового понимания причинности по сравнению с МКМ не произошло. Главными считались причинно-следственные связи и динамические законы, их выражающие.) Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E = mc²). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. В результате два закона сохранения – массы и энергии – были объединены в один общий закон сохранения массы и энергии.

Дальнейшее развитие физики показало, что ЭМКМ имеет ограниченный характер. Главная трудность здесь заключалась в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность многих ее свойств – заряда, излучения, действия. Не удавалось объяснить соотношения между полем и зарядом, устойчивость атомов, их спектры, явление фотоэффекта, излучение абсолютно черного тела. Все это свидетельствовало об относительном характере ЭМКМ и необходимости замены ее новой картиной мира.

Вскоре на смену ЭМКМ пришла новая – квантово-полевая картина Мира, объединившая дискретность МКМ и непрерывность ЭМКМ.

жүктеу/скачать 11.64 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: