Постулаты теории относительности. «Законы электродинамики и принцип относительности. Постулаты теории относительности Преобразование физических величин в релятивистской теории

Определение 1

Электродинамика – это раздел физики, который исследует электромагнитные поля и взаимодействия между ними.

Рисунок 1. Понятие электродинамики. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Классическая электродинамика комплексно описывает все свойства электрических и магнитных полей, а также рассматривает физические законы, благодаря которым одни физические тела соприкасаются с другими, обладающие положительным электрическим зарядом.

Электромагнитным полем принято называть универсальный вид материи, проявляющийся в результате влияния одного заряженного элемента на другой. Часто при исследовании электромагнитного поля выделяют его основные составляющие: электрическое поле и магнитное поле.

Определение 2

Электромагнитный потенциал – это особая физическая величина, которая точно определяет распределение поля в общем пространстве.

Электродинамику можно разделить на:

• электростатику;
• электродинамику сплошной среды;
• магнитостатику;
• релятивистскую электродинамику.

Вектор Пойнтинга представляет собой физическую величину, являющаяся главным вектором плотности энергетического потока поля в электродинамике. Величина указанного вектора пропорциональна энергии, которую возможно перенести в единицу временного пространства через единичную площадь поверхности, которая прямо перпендикулярна направлению распределения электромагнитной индукции.

Электродинамика составляет хорошую базу для развития оптики и физики радиоволн. Эти разделы науки считаются фундаментами для электротехники и радиотехники. Классическая электродинамика использует концепцию уравнений Максвелла при описании ключевых свойств и принципов взаимодействия электромагнитных полей, дополняя ее универсальными материальными уравнениями, начальными и граничными условиями.

Принцип относительности в электродинамике

Принцип относительности в электродинамике был сформирован во второй половине XIX столетия Максвеллом, который представил общественности основные законы действия электромагнитного поля. В результате возник логический вопрос, распространяется ли данная закономерность на явления в электродинамике. Другими словами, необходимо выяснить, смогут ли электромагнитные процессы, взаимодействуя между зарядами и токами, распространяться одинаково во всех инерциальных системах отсчета или же они будут равномерно рассредоточиваться в механических процессах.

Чтобы дать правильный и полноценный ответ на этот вопрос, физики решили изначально определить, меняются ли центральные законы электродинамики при трансформации от одной системы к другой или же остаются неизменными подобно гипотезам Ньютона. Только в последнем случае желательно не сомневаться в действительности исследуемого принципа относительно к методам электромагнитного поля, а затем уже рассматривать эту систему как общий закон природы.

Замечание 1

Законы электродинамики достаточно многогранные и сложные, поэтому грамотное решение данной задачи – непростое дело.

Однако уже устоявшиеся соображения позволяют найти рациональный ответ. Согласно принципам электродинамики, общая скорость распространения электрических и магнитных волн в вакууме всегда одинакова. Однако, с другой стороны, этот показатель также возможно приравнять с одной избранной системой отсчета в соответствии с теорией сложения скоростей механики Ньютона.

Это означает, что если обычный закон сложения скоростей справедлив и действителен, то при последующем переходе от одной инерциальной концепции к другой принципы электродинамики должны в обязательном порядке меняться так, чтобы в новой системе отсчета скорость света уже была представлен в совершенно иной формуле.

Таким образом, физики обнаружили серьезные противоречия между механикой Ньютона и электродинамикой, законы которой не согласуются с принципом относительности.

Возникшие сложности пытались побороть благодаря таким способам:

• объявив несостоятельным принцип относительности в использовании к электромагнитным процессам;
• признав уравнения Максвелла неправильными и пытаясь изменить их таким образом, чтобы они при очередном переходе от одной инерциальной системы к другой, не менялись;
• отказавшись от классических идей о времени и пространстве для того, чтобы в дальнейшем сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла.

Интересно, что единственно верной оказалась именно третья возможность, ведь последовательно развивая её, А. Эйнштейн смог представить новые представления о пространстве и времени. Первые два пути в итоге были опровергнуты в ходе проведения многочисленных экспериментов. Таким образом, представление о существовании инерциальной системы отсчета не выдержало опытной проверки.

Согласовать принцип относительности с методами электродинамикой получилось только после того, как ученые отказались от классических идей о пространстве и времени, согласно которым временное течение и расстояние не зависят от преимущественной системы отсчета.

Принцип сохранения электрического заряда

При нестабильной электризации физических тел используется закон сохранения электрического положительного заряда. Эта закономерность вполне справедлива для замкнутой физической концепции. Справедливость принципа сохранения заряда в электродинамике играет важную роль в природе благодаря тому, что в состав всех веществ находятся только электрически заряженные частицы.

Взаимодействие электромагнитных сил между телами невозможно обнаружить, ведь любая материя нейтральна с электрической позиции в обычном состоянии. Отрицательно и Положительно заряженные элементы непосредственно связаны друг с другом силами электростатики и формируют нейтральные системы.

Макроскопическое вещество будет заряжено электрически в том случае, если оно включает в своем составе избыточное число элементарных частиц с определенным знаком заряда.

Ученые отделяют часть отрицательного заряда от положительного для того, чтобы наэлектризовать физическое тело. Это возможно сделать посредством трения, которое предполагает наблюдение над огромным количеством превращений элементарных частиц.

Существование исследуемого процесса, в пространстве между движущимися элементами, благодаря которым делится конечное время, - вот основное, что отличает теорию близкодействия от гипотезы действия на расстоянии. Ключевое свойство электрического поля в электродинамике – влияние его частиц на другие электрические заряды.

Замечание 2

Электростатическое поле может появиться только посредством действия электрического заряда, так как оно существует в пространстве, окружающем взаимосвязанные между собой заряды.

Линии магнитной индукции в электродинамике

За направление основного вектора магнитной индукции ученые используют показатель южного полюса относительно северной магнитной стрелки, которая свободно устанавливается в магнитном поле. Это направление в электродинамике полностью совпадает с направлением положительной энергии замкнутого контура с током. Положительная нормаль движется в ту сторону, куда трансформируется буравчик, если вращать его параллельно току в рамке.

Правило буравчика можно сформулировать следующим образом: если направление постоянного движения буравчика в итоге совпадает с показателями тока в проводнике, то направление вращения ручки автоматически будет приравниваться к вектору магнитной индукции. В магнитном поле активно действующего прямолинейного проводника стрелка устанавливается строго по касательной окружности.

Определение 3

Линии магнитной индукции – это особые линии, касательные к которым направлены аналогично тому, как и вектор в конкретной точке поля.

Параметры однородного поля всегда параллельны, а главной особенность линий индукции магнитов в электродинамике называют их бесконечность. Поля с замкнутыми силовыми линиями образуют магнитное поле, которое не имеет источников.

В конце 19 века были получены опытные данные, которые не могли быть объяснены с позиций физики Ньютона. В частности, если источник и приемник света движутся навстречу друг другу равномерно и прямолинейно, то скорости их по Ньютону должны складываться. Однако, американский физик Майкельсон и другие, проводя опыты с помощью чувствительного интерферометра, показали, что скорости света в вакууме не зависят от скорости движения источника и приемника и одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Эйнштейн пришел к выводу, что постоянство скорости света – фундаментальный закон природы. Этот вывод был положен Эйнштейном в основу разработанной им специальная теории относительности (см. раздел 2.5). Была также доказана инвариантность уравнений Максвелла (см. раздел 3.5) относительно преобразований Лоренца, тогда как они не инвариантны относительно преобразований Галилея (см. 2.4). Из теории Эйнштейна следовало, что электромагнитные взаимодействия (например, зарядов) передаются в вакууме со скоростью, ограниченной скоростью света, через поле (концепция близкодействия) во всех системах отсчета.

Разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное поля относительно – в природе существует единое электромагнитное поле. Свет также имеет электромагнитную природу (рис.3.27).

На основе специальной теории относительности были объяснены закономерности эффекта Доплера для электромагнитных волн. При удалении источника света от наблюдателя со скоростьюVпроисходит изменение частоты (или длины волны на величину Δλ) в спектре излучения источника с длиной волны излучения λ (красное смещение ):

Эффект Доплера нашел применение в радиолокации для измерения скорости Vи расстояния до движущегося объекта, в астрофизике - для измерения скоростей удаления галактик и т.д.

Обусловленное конечностью скорости света изменение видимого положения звезд на небесной сфере получило название аберрации света .

3.7. Квазистационарное магнитное поле

Ток смещения принципиально отличается от тока проводимости – он не связан с движением зарядов. Он обусловлен только изменением во времени электрического поля (см.3.5). Даже в вакууме изменение электрического поля приводит к возникновению в окружающем пространстве магнитного поля . Именно по этому признаку ток смещения тождественен току проводимости и это дает возможность условно называть его «током».

Ток смещения j см возникает не только в вакууме или диэлектриках, но и в проводниках при прохождении по ним переменного тока проводимостиj пр. Однако он мал по сравнению сj пр (ввиду этого им пренебрегают).

В массивных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле, могут в соответствии с законом (3.70) наводиться индукционные токи. Эти токи являются вихревыми в объеме проводников и известны как токи Фуко .

Токи Фуко создают собственное магнитное поле, которое в соответствии с правилом Ленца (см.3.73) препятствуют изменению вызвавшему их магнитного потока. Высокочастотные токи Фуко приводят к нагреванию проводников, что позволяет их применять для плавки металлов в индукционных печах, в микроволновых печах для нагревания проводящих токи продуктов, в физиотерапии (тело человека – проводник) и т.д. В других случаях для уменьшения потерь на тепло в электрических машинах и трансформаторах увеличивают сопротивление токам Фуко, делая их сердечники не сплошными, а из изолированных друг от друга тонких пластин.

В цепях с переменным электрическим током электросопротивление проводников возрастает с увеличением частоты тока. Это объясняется тем, что распределение плотности тока по сечению проводника становится неоднородным с учетом токов Фуко: плотность тока возрастает у поверхности (так называемый скин – эффект ). Это же позволяет делать проводники пустотелами (трубчатыми). На скин – эффекте основаны методики высокочастотной закалки поверхности деталей.

Сила переменного тока оказывается в один и тот же момент времени неодинаковой в разных участках проводника. Это обусловлено конечной скоростью распространения вдоль проводника меняющегося электромагнитного поля. Однако, если учесть малую скорость движения носителей зарядов по сравнению со скоростью распространения поля, то токи можно считать квазистационарными также как и возбуждаемые ими магнитные поля.

Переменные токи получают с помощью генераторов. При вращении контура в однородном магнитном поле с угловой скоростью через площадь, ограниченную контуром, периодически изменяется магнитный поток (см. 3.67).

где Ф 0 - максимальное значение потока через площадьSконтура.

Электродвижущая сила, возникающая при этом (см.3.70), будет
изменяться по синусоидальному закону. ε 0 =ωФ 0 -амплитуда ЭДС. Если цепь замкнута, то в ней потечет переменный ток:

.

Вообще любой проводник помимо омического сопротивления Rобладает индуктивностьюLи емкостью С. Они оказывают току дополнительное сопротивление в виду появления ЭДС самоиндукции (см.3.73) и инертности перезарядки емкости. Тогда амплитудное значение силы переменного тока:

(3.90)

Величина
имеет характер полного сопротивления (импеданс ). Она зависит от значенийR,L,Cи частоты. При, удовлетворяющем условию:

,

полное сопротивление имеет минимальное значение равное R, а амплитуда силы переменного тока достигает максимального значения:

Частота
- называется резонансной.R L =Lи
- называют индуктивным и емкостным сопротивлениями в цепи переменного тока.

Переменный электрический ток имеет большое практическое применение. Его можно передавать с малыми потерями на большие расстояния и с помощью трансформаторов в широких пределах изменять его силу и напряжение.

Чтобы характеризовать действие переменного тока в сравнении его с постоянным вводится понятиедействующих значений силы тока и напряжения . Действующим значением силы тока называют величинуI, связанную с амплитудойI 0 следующим образом:

аналогично и напряжение
. Именно они определяют мощность переменного тока. Можно также дать и другое определениеI Д: действующее значение силы переменного тока равно такой силе постоянного тока, который выделяет в цепи то же количество теплоты, что и переменный ток.

Развитие электродинамики привело к новым представлениям о пространстве и времени. Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится ли тело или движется (длина абсолютна). На смену старым, классическим представлениям о пространстве и времени пришло новое учение - специальная теория относительности Эйнштейна.
После того как во второй половине 19 века Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, ученые осознали, что принцип относительности Галилея сложно применить к электромагнитным явлениям. Возник вопрос: протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и так далее) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы к другой или же подобно законам Ньютона они остаются неизменными. Законы электродинамики сложны. Согласно им скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна 300 млн метров в секунду. Но, с другой стороны, согласно законам механики Ньютона, эта скорость может равняться 300 миллионам только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к первой системе с некоторой другой скоростью, скорость света должна уже равняться разности этих скоростей. Значит, если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы к другой, законы электродинамики должны меняться также как и законы механики. Мы обнаружили определенные противоречия между электродинамикой и механикой.
Обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Первая возможность состояла в том, чтобы объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории Х. Лоренц. Согласно этой теории инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это особая, преимущественная система, так как электромагнитные явления еще со времени Фарадея рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство - «мировом эфире». Если бы скорость света была равна 300 000 км в секунду только в системе отсчета в некоторой инерциальной системе, тогда можно было бы обнаружить, как движется эта система по отношению к эфиру. Подобно тому, как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, так и при движении по отношению к эфиру некоторой системы должен быть обнаружен «эфирный ветер». Если, конечно, эфир существует. Вторая возможность состоит в том, чтобы считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 году американскими ученными А. Майкельсоном и Э. Морли. Эту идею за 12 лет до этого высказал Максвелл. Заключалась она в наблюдении смещения интерференционных полос и измерении разности задержек света при его распространении вдоль и поперёк движения Земли по орбите. Такая попытка еще раньше была предпринята Генрихом Герцем. По его предположению эфир полностью увлекается движущимися телами, и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимого от того, покоится тело или движется. Здесь принцип относительности справедлив. К примеру, согласно теории Герца, когда вода движется, она полностью увлекает за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так. Третья возможность разрешения указанных трудностей состоит в отказе от классических представлений о пространстве и времени. При этом можно сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. С данной точки зрения оказывается, что изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла. Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая именно эту теорию, Альберт Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Он создал новое учение о пространстве и времени, которое сегодня называют специальной теорией относительности. Обобщая свою теорию для неинерциальных систем отсчета, Эйнштейн построил общую теорию относительности. Она представляет собой современную теорию тяготения. Эйнштейн впервые ввел представление о частицах света, их называют фотонами. В своих опытах он сравнивал скорости света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения Эйнштейн проводил очень точно с помощью специального прибора интерферометра, разработанного Майкельсоном
и ныне носящим его имя. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. При этом движение Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось. Все это было похоже на то, как если бы вы, высунув голову из окна машины, при скорости 100 км/ч не заметили бы встречного ветра. Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь это означало, что никакой особой среды - «светоносного эфира», - с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует. Теперь легко можно согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла. Для этого нужно отказаться от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.
В основе рассматриваемой нами теории относительности лежат два постулата. Принцип относительности - первый и главный постулат теории Эйнштейна. Его можно сформулировать так: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы имеют одинаковую форму. Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Скорость света занимает особое положение. Как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе. В относительности одновременности кроется решение парадокса со сферическими световыми сигналами Опишем ситуацию. Свет одновременно достигает точек сферической поверхности с центром в точке О только с точки зрения наблюдателя, находящегося в покое относительно системы К (ка). С точки зрения же наблюдателя, связанного с системой К1 (ка-1), свет достигает этих точек в разные моменты времени. Разумеется, справедливо и обратное: в системе К (ка) свет достигает точек поверхности сферы с центром в О1 (о-1) в различные моменты времени, а не одновременно, как это представляется наблюдателю в системе К1 (ка-1). Отсюда следует вывод, что никакого парадокса в действительности нет. До начала 20 века никто не сомневался, что время абсолютно. То есть, когда два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой космической цивилизации. Создание теории относительности показало, что это не так. Представление об абсолютном времени, которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от структуры материи и ее движения, оказывается неправильным. «Минута — величина относительная: если у вас свидание с симпатичной девушкой, то она пролетит как мгновение, а если вы сидите на раскаленной плите, то она покажется вечностью». Так сам Эйнштейн пытался объяснить простыми словами свою теорию относительности. Действительно, если допустить мгновенное распространение сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках А и В произошли одновременно, будет иметь абсолютный смысл. Любые события, например два удара молнии, одновременны, если они происходят при одинаковых показаниях синхронизированных часов. Только располагая в точках А и В синхронизированными часами, можно судить о том произошли ли два каких-либо события в этих точках одновременно или нет. Для синхронизации часов правильнее будет, если прибегнут к световым или вообще электромагнитным сигналам, так как скорость электромагнитных волн в вакууме является строго определенной, постоянной причиной. Именно такой способ используют при проверки часов по радио. Рассмотрим подробнее один из простых методов синхронизации часов, не требующий никаких вычислений. Допустим, что космонавт хочет узнать одинаково ли идут установленные на противоположных концах космического корабля часы А и В (бэ). Для этого, с помощью источника, который расположен в середине корабля и неподвижен относительно него, космонавт производит вспышку света. Свет одновременно достигает обоих часов. Если показания часов в этот момент одинаковы, то часы идут синхронно. Но так будет лишь относительно системы отсчета, связанной с кораблем. В системе же отсчета, относительно которой корабль движется, положение иное. Часы на носу корабля будут удаляться от того места, где произошла вспышка света источника, и, чтобы достигнуть часов А, свет должен преодолеть расстояние, большее половины длины корабля. А часы (бэ) на корме приближаются к месту вспышки, и путь светового сигнала меньше половины длины корабля. Поэтому наблюдатель, находящийся в системе, связанной с кораблем, придет к выводу о том, что сигналы достигают обеих часов одновременно. Два любых события в точках А и В (бэ) одновременны в системе отсчета, связанной с кораблем, и не одновременны в системе, относительно которой корабль движется. Но в силу принципа относительности эти системы совершенно равноправны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы должны прийти к заключению о том, что одновременность пространственно разделенных событий относительна. Причиной относительности одновременности является, как мы видим, конечность скорости распространения звуковых сигналов. Из постулатов теории относительности вытекает ряд важнейших следствий, касающихся свойств пространства и времени. Наблюдается два релятивистских эффекта. Первое, в движущихся системах отсчета размеры тела сокращаются. Второе, в движущейся системе отсчета наблюдается замедление времени.
Так как в движущихся системах отсчета линейные размеры тела сокращаются, то это явление приводит к тому, что масса тела в движущейся системе соответственно увеличивается.
Очевидно, что классический закон сложения скоростей не может быть справедлив, так как он противоречит утверждению о постоянстве скорости света в вакууме. Мы запишем закон сложения скоростей для частного случая, когда тело движется вдоль оси Х1 (икс-1) системы отсчета К1 (ка-1), которая, в свою очередь, движется с некоторой скоростью вэ относительно системы отсчета К. Обозначим скорость тела относительно К через вэ1, а скорость этого же тела относительно К через вэ2. Тогда релятивистский закон сложения скоростей будет иметь вид.
При движении замедляется протекание всех физических процессов, а также химических реакций в человеческом организме. Стоит рассмотреть интереснейшие следствия, вытекающие из специальной теории относительности Эйнштейна. «Парадокс часов", он же «парадокс близнецов» — мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно специальной теории относительности, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. Но с другой стороны, этот же принцип относительности декларирует равноправие всех инерциальных систем отсчёта. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (далее путешественник) отправляется в космический полёт, второй (далее домосед) остаётся на Земле. Парадокс заключен в следующем: с точки зрения домоседа часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому после возвращения на Землю они должны отстать от часов домоседа. Относительно путешественника же двигалась Земля, значит, и отстать должны часы домоседа. Но с третьей стороны, братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время. Постулаты теории относительности Эйнштейна также легко объясняют такое интересное явление космического пространства как черная дыра. Черная дыра образуется при гравитационном сжатии массивной звезды. Если масса некоторой звезды более чем в 2-3 раза больше массы Солнца, то ядро этой звезды сжимается и достигает такой плотности, что даже свет не может преодолеть силы его тяготения окружающих космических тел. Эйнштейн Альберт (1879—1955) — великий физик XX в. Создал новое учение о пространстве и времени — специальную теорию относительности. Обобщая эту теорию для неинерциальных систем отсчета, разработал общую теорию относительности, представляющую собой современную теорию тяготения. Впервые ввел представление о частицах света — фотонах. Его работа по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества. Он предсказал «квантовую телепортацию» и гиромагнитный эффект Эйнштейна — де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Благодаря Альберту Эйнштейну в науке произошел пересмотр понимания физической сущности пространства и времени, он построил новую теорию гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн вместе с Планком заложили основы квантовой теории. Все эти концепции многократно подтверждены экспериментами и образуют фундамент современной физики.

Во второй половине XIX века Д. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики. При этом возникли сомнения в справедливости механического принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. Вспомним суть механического принципа относительности.
Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы являются инерциальными. Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму (инвариантны) ; в этом состоит суть механического принципа относительности или принципа относительности Галилея.
Для доказательства этого принципа рассмотрим две системы отсчета: инерциальную систему К (с координатами x, y, z ), которую условно будем считать неподвижной и подвижную систему K" (с координатами x", y", z" ), движущуюся относительно К равномерно и прямолинейно со скоростью u = const. Примем, что в начальный момент времени t = 0 начала O и O" обеих систем координат совпадают. Расположение систем координат в произвольный момент времени t имеет вид, изображенный на рис. 5.1. Скорость u направлена вдоль прямой OO" , а радиус-вектор, проведенный из точки O в точку O" , равен r 0 =ut .
Координаты произвольной материальной точки A в неподвижной и подвижной системах отсчета определяются радиусами-векторами r и r" , причем

В проекциях на оси координат векторное уравнение (5.1) записывается в виде, называемом преобразованиями Галилея :

(5.2)

В частном случае, когда система K" движется со скоростью v вдоль положительного направления оси x системы K , преобразования координат Галилея имеют следующий вид:

В классической механике предполагается, что ход времени не зависит от относительного движения систем отсчета. Поэтому система уравнений (5.2) дополняется еще одним соотношением:

(5.3)

Соотношения (5.2) – (5.3) справедливы лишь в случае u . При скоростях, сравнимых со скоростью света, преобразования Галилея заменяются более общими преобразованиями Лоренца.
Продифференцируем уравнение (5.1) по времени и учитывая, что u = const, найдем соотношения между скоростями и ускорениями точки А относительно обеих систем отсчета:

откуда
(5.4)

А также

(5.5)

Если на точку А другие тела не действуют, то a = 0 и согласно (5.5) a" = 0, т.е. подвижная система K" является инерциальной – изолированная материальная точка либо движется относительно нее равномерно и прямолинейно, либо покоится.
Из выражения (5.5) следует, что

т.е. уравнения Ньютона (уравнения динамики) для материальной точки одинаковы во всех инерциальных системах отсчета или инвариантны по отношению к преобразованиям Галилея. Этот результат часто формулируют следующим образом: равномерное и прямолинейное движение системы как целого не влияет на ход протекающих в ней механических процессов .
Классическая механика Ньютона достоверно описывает движение макроскопических тел, движущихся со скоростями, намного меньшими скорости света. В конце XIX в. было установлено, что выводы классической механики противоречат некоторым опытным данным. В частности при изучении движения быстрых заряженных частиц оказалось, что их движение не подчиняется законам Ньютона. Далее возникли затруднения при попытках применить классическую механику для объяснения распространения света. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и приблизительно равна с = 3*10 8 м/с. Но в соответствии с законами классической физики скорость света может равняться с только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся относительно избранной системы со скоростью v , она должна уже равняться с -v , или с +v . Это означает, что если справедлив закон сложения скоростей классической механики (формула (5.4)), то при переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики должны меняться, так как должна меняться скорость света. Таким образом, обнаружились противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности Галилея. Для преодоления возникших трудностей предлагались различные способы:

1. Принять несостоятельность принципа относительности применительно к электромагнитным явлениям. Еще со времен Фарадея электромагнитные явления рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, - эфире . Согласно Х. Лоренцу инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это особая система, в которой законы электродинамики Максвелла справедливы. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
2. Считать ошибочными уравнения электродинамики Максвелла и попытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем, который считал, что эфир полностью увлекается движущимися телами, поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности справедлив.
3. Отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем, чтобы сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла. С этой точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Таким образом, изменять нужно законы классической механики, а не законы электродинамики Максвелла.

Принцип относительности и законы Ньютона

Принцип относительности Галилея органически вошел в созданную И. Ньютоном классическую механику. Ее основу составляют три «аксиомы» - три знаменитых закона Ньютона. Уже первый из них, гласящий: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние», говорит об относительности движения и одновременно указывает на существование систем отсчета (они были названы инерциальными), в которых тела, не испытывающие внешних воздействий, движутся «по инерции», не ускоряясь и не замедляясь. Именно такие инерциальные системы имеются в виду и при формулировке двух остальных законов Ньютона. При переходе из одной инерциальной системы в другую меняются многие величины, характеризующие движение тел, например, их скорости или формы траектории движения, но законы движения, то есть соотношения, связывающие эти величины, остаются постоянными.

Преобразования Галилея

Чтобы описывать механические движения, то есть изменение положения тел в пространстве, Ньютон четко сформулировал представления о пространстве и времени. Пространство мыслилось как некий «фон», на котором развертывается движение материальных точек. Их положение можно определять, например, с помощью декартовых координат x, у, z, зависящих от времени t. При переходе из одной инерциальной системы отсчета К в другую К", движущуюся по отношению к первой вдоль оси x со скоростью v, координаты преобразуются: x" = x - vt, y" = у, z" = z, а время остается неизменным: t" = t. Таким образом принимается, что время абсолютно. Эти формулы получили название преобразований Галилея.

По Ньютону, пространство выступает как некая координатная сетка, на которую не влияет материя и ее движение. Время в такой «геометрической» картине мира как бы отсчитывается некими абсолютными часами, ход которых ничто не может ни ускорить, ни замедлить.

Принцип относительности в электродинамике

Принцип относительности Галилея более трехсот лет относили только к механике, хотя в первой четверти 19 в., прежде всего благодаря трудам М.Фарадея, возникла теория электромагнитного поля, получившая затем дальнейшее развитие и математическую формулировку в работах Дж.К. Максвелла. Но перенос принципа относительности на электродинамику представлялся невозможным, так как считалось, что все пространство заполнено особой средой - эфиром, натяжения в котором и истолковывались как напряженности электрического и магнитного полей. При этом эфир не влиял на механические движения тел, так что в механике он «не чувствовался», но на электромагнитных процессах движение относительно эфира («эфирный ветер») должно было сказываться. В результате находящийся в закрытой кабине экспериментатор при помощи наблюдения над такими процессами мог, казалось, определить, находится ли его кабина в движении (абсолютном!), или же она покоится. В частности, ученые полагали, что «эфирный ветер» должен влиять на распространение света. Попытки обнаружить «эфирный ветер», однако, не увенчались успехом, и концепция механического эфира была отвергнута, благодаря чему принцип относительности как бы родился заново, но уже как универсальный, справедливый не только в механике, но и в электродинамике, и других областях физики.

Преобразования Лоренца

Подобно тому, как математической формулировкой законов механики являются уравнения Ньютона, уравнения Максвелла являются количественным представлением законов электродинамики. Вид этих уравнений также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными: x"= g(x-vt); y"= y; z"=z; t"=g(t-vx/c 2), где g = (1-v 2 / c 2)-1/2, а с - скорость света в вакууме. Последние преобразования, установленные Х. Лоренцем в 1895 и носящие его имя, являются основой специальной (или частной) теории относительности. При vc они переходят в преобразования Галилея, но если v близко к c, то проявляются существенные отличия от картины пространства - времени, которую принято называть нерелятивистской. Прежде всего, обнаруживается несостоятельность привычных интуитивных представлений о времени, выясняется, что события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой. Меняется и закон преобразования скоростей.

Преобразование физических величин в релятивистской теории

В релятивистской теории пространственные расстояния и промежутки времени не остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой со скоростью v. Длины сокращаются (в направлении движения) в 1/g раз, и в такое же число раз «растягиваются» промежутки времени. Относительность одновременности - основная принципиально новая черта современной частной теории относительности.

Главная » Лечение » Постулаты теории относительности. «Законы электродинамики и принцип относительности. Постулаты теории относительности Преобразование физических величин в релятивистской теории