ЗАРОДЖЕННЯ І РОЗВИТОК ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ РУХОМИХ СЕРЕДОВИЩ І ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕОРІЇ

В результаті вивчення даного розділу студент повинен:

знати

  • • історичні етапи зародження та розвитку електродинаміки рухомих середовищ і електронної теорії;
  • • концепцію ефіру, пристрій інтерферометра Майкельсона, фізичну сутність скорочення Лоренца - Фіцджеральда, перетворень Лоренца;
  • • основоположні ідеї електронної теорії Лоренца;

вміти

  • • оцінювати історичні досліди Майкельсона - Морлі, внесок Дж. Лармора, А. Пуанкаре, А. Ейнштейна в теорію відносності, Е. Маха - в фізику і філософію;
  • • обговорювати біографії творців електронної теорії і теорії відносності;

володіти

• навичками оперування основними поняттями електродинаміки рухомих середовищ і електронної теорії.

Ключові терміни: ефір, досліди Майкельсона - Морлі, інтерферометр Майкельсона, електронна теорія Лоренца, скорочення Лоренца - Фіцджеральда, перетворення Лоренца, п'ятий постулат про паралельність ліній, неевклидова геометрії.

У 1881 р в статті «Відносний рух Землі і світлоносного ефіру» А. Майкельсон оголосив, що ніякого руху Землі відносно ефіру виявити не вдалося. Цій заяві передувала величезна експериментальна робота. Її основною метою було виявлення руху Землі відносно ефіру.

Відзначимо, що проблему пошуку «ефірного вітру» поставив ще Дж. К. Максвелл в 1877 р Він припустив, що Земля в своєму орбітальному русі навколо Сонця проходить крізь нерухомий ефір, і тому при вимірах швидкості світла в різних напрямках дослідники повинні зафіксувати невелике розходження . Максвелл, однак, вказував на можливі труднощі з виявленням настільки малої величини відхилення. Довгий час було неясно: захоплюється ефір при русі Землі або залишається нерухомим. У кожної з цих гіпотез були свої прихильники. Дозволити все повинен був експеримент. І його автором став американський фізик Альберт Абрахам Майкельсон.

Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931) - видатний американський вчений, Нобелівський лауреат з фізики 1907 р народився в 1852 р в Польщі, з 1854 р жив в США, де закінчив Морську академію. Майкельсон удосконалював знання в Німеччині і у Франції. З 1883 року він працював у різних університетах США, з 1892 р - в Чиказькому університеті. Помер вчений в 1931 р Основні роботи Майкельсона присвячені оптиці і спектроскопії. Він отримав широку популярність як автор експерименту, який довів відсутність «ефірного вітру», який зіграв величезну роль в утвердженні спеціальної теорії відносності.

Надалі він займався виготовленням приладів для спектроскопії і дослідженнями з їх допомогою випромінювань різної природи, в тому числі і від астрономічних об'єктів. Майкельсон - автор першого зоряного інтерферометра.

Ідея експерименту була прозорою - виміряти швидкість променів світла, випущених в напрямку руху Землі і перпендикулярно йому. Майкельсон використав для цього високочутливий прилад - інтерферометр особливої конструкції, який тепер носить його ім'я. Перша модель інтерферометра Майкельсона (рис. 16.1) була випробувана в Берліні. Однак вуличний рух і інші перешкоди не давали можливості зробити експеримент з необхідною точністю. Тоді интерферометр був перенесений в тихий Потсдам і встановлений на бетонному фундаменті майбутнього телескопа. Експеримент був проведений. Ніякого руху Землі відносно світлоносного ефіру виявити не вдалося!

Інтерферометр А. А. Майкельсона

Мал. 16.1. Інтерферометр А. А. Майкельсона

Хендрік Антон Лоренц, аналізуючи досвід Майкельсона, знайшов помилку в його розрахунках і публічно оголосив про це в 1886 р Але вже через рік Майкельсон і Едвард Вільяма Морлі (1839-1923) повторили досвід зі значно більш високою точністю. Інтерферометр був тепер змонтований на кам'яній плиті, плаваючою в резервуарі з ртуттю. За рахунок використання багаторазового відбиття довжина оптичного шляху склала майже 11 м, що збільшило точність вимірювань в 10 разів. Досліди були закінчені в 1887 р, і їх результат залишався негативним. Це суперечило всім наявним тоді уявленням, крім ідей, висловлюваних Г. Герцем.

Генріх Герц опублікував в 1890 р дві важливі статті. У першій вчений аналізує рівняння Максвелла, показуючи, що вони «захаращені будівельним риштуванням», до числа яких він відносив «панування вектор-потенціалу». Саме Герц записав рівняння Максвелла в тій формі, до якої ми зараз звикли. У другій статті він пояснює досвід Майкельсона - Морлі на основі теорії увлекаемого ефіру. Однак вона не змогла пояснити інших фактів: досвіду Фізо, аберації світла, дослідів Рентгена і т.п. Потрібна була принципово інша теорія, заснована на нових ідеях, яка описувала б весь наявний на той час комплекс досвідчених результатів з електродинаміки рухомих середовищ. Ця теорія в історії фізики традиційно носить назву електронної теорії. Основи її заклав голландський фізик Хендрік Антон Лоренц.

Хендрік Антон Лоренц (1853-1928) (рис. 16.2) - голландський вчений, Нобелівський лауреат з фізики 1902 р народився в Голландії в 1853 р Навчався в Лейденському університеті, там же був професором спеціально для нього заснованої кафедри теоретичної фізики. У 1912 р Лоренц поступився кафедру Паулю Еренфеста. З 1923 р Лоренц - професор Лейденського університету, керує науковим інститутом в Гарлем до самої смерті в 1928 р До кінця життя Г. А. Лоренц був головою Сольвеєвських конгресів, які збирали на свої засідання всю фізичну наукову еліту того часу. В історію фізики Лоренц увійшов як творець електронної теорії, що є синтезом теорії електромагнітного поля і атомістики.

Великий Максвелл в своєму «Трактаті» приходить до ідеї атомного заряду. Він, однак, вважав, що в майбутньому нові, все більш розвиваються уявлення зроблять її зайвою. Його припущення не збулося. Навпаки, уявлення про дискретності електрики розвивалися. У 1891 р ірландський фізик Джонсон стогін (1826-1911) ввів термін «електрон». Але сама ідея дискретності електричного заряду належить Фарадею.

Портрет Хендріка Антона Лоренца

Мал. 16.2. Портрет Хендріка Антона Лоренца

Лоренц став вводити атомистику в теорію електрики ще в ранніх свіх роботах. У докторській дисертації він намагався обгрунтувати зміну швидкості світла в середовищі впливом наелектризованих частинок поля. У 1880 р спільно з датським вченим Людвігом Лоренцом (1829-1891) він виводить знамените співвідношення між показником заломлення і щільністю середовища (формула Лоренца - Лоренца ):

де п - показник заломлення речовини; N - число поляризующихся частинок в одиниці об'єму; а м - електронна поляризованість частинок речовини.

У 1892 р X. А. Лоренц виклав основні положення електронної теорії. Світ, з його точки зору, складається з речовини і ефіру. Ефір вважається нерухомим. На цій основі він намагався пояснити відомі досліди Френеля, Физо, Майкельсона - Морлі. Але єдиним способом зробити це було визнання нерівності довжини /, коли вона вимірюється у напрямку руху і перпендикулярно йому:

де I - довжина об'єкта, при цьому:

де а - функція, що характеризує співвідношення швидкості Землі і швидкості світла; р - швидкість Землі; і - швидкість світла.

Так з'явилося знамените співвідношення, яке, як з'ясував Лоренц, було отримано також ірландським фізиком Джорджем Френсісом Фіцджеральдом (1851-1901). Скорочення Лоренца - Фіцджеральда описує зменшення довжини об'єкта при поступальному русі.

Таким чином, в електродинаміки з'явилося перше релятивістське співвідношення (в сучасних позначеннях):

де р = о / с - відношення швидкості об'єкта до швидкості світла. Інший релятивістський результат - залежність маси від енергії - був отриманий в 1881 р Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940).

Таким чином, в рамках електромагнітної картини світу були отримані найважливіші результати теорії відносності: скорочення довжин, зв'язок маси і енергії (з точністю до постійного множника). При цьому вважалося, що світом керують закони електродинаміки Максвелла і механіки Ньютона. Електродинаміка рухомих середовищ не вела до теорії відносності, хоча історично сталося саме так. У 1895 р вийшла фундаментальна праця Лоренца «Досвід теорії електричних і оптичних явищ в рухомих тілах». У ній систематично викладено електронна теорія.

Нас найбільше цікавлять вираження, що носять назву перетворень Лоренца. Лоренц опублікував їх в 1904 р в статті «Електромагнітні явища в системі, що рухається зі швидкістю, меншою швидкості світла». Однак чотирма роками раніше ірландський фізик-теоретик Джозеф Лармор (1857- 1942) отримав ці перетворення, причому саме в тому вигляді, до якого ми зараз звикли. Ларморовскіе показав, що форма рівнянь Максвелла залишається незмінною і в рухомій системі, якщо зв'язок між коефіцієнтами рухається і нерухомою систем визначається співвідношеннями:

У цих співвідношеннях визначені залежності довжини і часу від швидкості об'єкта. Назва «перетворення Лоренца» належить Жюлю Анрі Пуанкаре, який критикував Лоренца за те, що він нехтував принципом відносності. Пуанкаре записує перетворення Лоренца по-своєму, розширюючи і деталізуючи їх. Він знаходить формулу складання швидкостей, формулу перетворення напруженостей електричного і магнітного полів, щільності заряду і щільності струму і по суті вже отримує чотиривимірну релятивістську електродинаміку.

Жюль Анрі Пуанкаре (1854-1912) - французький фізик, математик, інженер, астроном і філософ, народився в 1854 р в Нансі. Навчався в Політехнічній школі, закінчив Гірську школу. З 1881 р Пуанкаре працював в Паризькому університеті, був директором Паризької обсерваторії. Пуанкаре помер в 1912 р

Фізичні дослідження Пуанкаре відносяться до теорії відносності, термодинаміки, електрики, оптики, теорії пружності, молекулярної фізики. У 1904-1905 рр. він близько підійшов до теорії відносності, що не зробивши, однак, вирішального кроку. Як астроном, скориставшись досягненнями математики, автором яких був він сам, Пуанкаре фактично відкрив нову еру в небесній механіці.

Підкреслимо, що і ларморовскіе, і Лоренц, і Пуанкаре розвивали свої теорії на базі класичної електродинаміки, спираючись на концепцію ефіру. Їм вдалося знайти пояснення для цілої групи дослідів, розробити до них математичний апарат. Однак до розуміння принципу відносності як загального закону природи вони не дійшли. Питання про сталість і граничному значенні швидкості світла, що має фундаментальне значення для розробки нових уявлень про простір і час, ними не піднімалося. Справжнім творцем теорії відносності став Альберт Ейнштейн.

Хоча у Лармора, Лоренца і Пуанкаре при перетвореннях змінювалися довжина і час, ці зміни носили формальний характер. Довгий час вчені вважали евклидову геометрію абсолютно досконалою. Але і в ній була ахіллесова п'ята - п'ятий постулат про паралельність ліній. Математикам він не здавався абсолютно непорушним. В результаті два видатних математика XIX ст. - Миколо Івановичу Лобачевський (1792-1856) і Георг Фрідріх Бернхард Ріман (1826-1866), по-різному трактуючи горезвісний постулат, прийшли до встановлення нових геометричних систем, відмінних від евклідових. Справедливості заради слід зазначити, що до цього прийшов і великий К. Ф. Гаусс, а також угорський математик Янош Больяй (1802-1860). Ідея «носилася в повітрі».

Неевклідові геометрії, створені Лобачевским і Ріманом, описують властивості простору. Воно тепер може бути не тільки плоским, як у Евкліда, але і мати кривизну, позитивну за Ріманом (сфера) або негативну по Лобачевському (псевдосфера). Таким чином, математики до кінця XIX в. перейшли від плоского тривимірного простору до багатовимірному просторі, котрий володіє кривизною. Питання про те, яка з геометрії відповідає дійсності, повинен вирішити досвід.

Критика абсолютного простору і часу найбільш чітко прозвучала з вуст австрійського фізика і філософа, професора празького університету Ернста Маха (1838-1916).

Філософські погляди Маха отримали широку популярність в кінці XIX - початку XX ст. завдяки містилася в них спробі вирішити кризу у фізиці за допомогою нового тлумачення вихідних понять класичної (ньютоніан- ської) фізики. Уявленням про абсолютну просторі, часі, русі, силі і т.п. Мах протиставив релятивістське розуміння цих категорій, які, по Маху, суб'єктивні за своїм походженням. У дусі суб'єктивного ідеалізму Мах стверджував, що світ є «комплекс відчуттів», відповідно завдання науки - лише описувати ці «відчуття». Мах був противником атомізму: оскільки атоми в той час були недоступні спостереженню, він розглядав їх як свого роду вигадка для пояснення ряду фізичних і хімічних явищ, без якого можна обійтися.

Мах справив значний вплив на становлення і розвиток філософії неопозитивізму. Його філософські погляди з'явилися развитем ідей класичного позитивізму, висунутих Огюстом Контом, Гербертом Спенсером; вони озанмено- вали початок другого періоду розвитку позитивізму, названого емпіріокритицизм (або махізмом). Суб'ектівноідеалістіческіе ідеї Маха були піддані різкій критиці В. І. Леніним ( «Матеріалізм і емпіріокритицизм», 1908 г.).

На жаль, критика філософії Маха позначилася і на оцінці його фізичних робіт. Це, звичайно, неправильно. Мах був великим фізиком. Альберт Ейнштейн вважав, що він «був недалекий від того, щоб прийти до загальної теорії відносності».

На жаль, цього не сталося, Мах не зміг зв'язати механіку з ідеями поля і з кінцівкою швидкості світла. Однак роботи Маха зіграли позитивну роль у формуванні поглядів А. Ейнштейна, про що той неодноразово згадував.

Намагався ревізувати ньютоновскую механіку також і Г. Герц, але теж безуспішно. Природа чекала приходу генія для того, щоб розкрити ще одну приховану таємницю. І геній з'явився. Ним став А. Ейнштейн - найбільший фізик XX ст. і видатна особистість; ні про кого з учених так багато не говорили і не писали, як про нього.

Контрольні питання

  • 1. Яку мету переслідували досліди Майкельсона - Морлі?
  • 2. Як влаштований интерферометр Майкельсона?
  • 3. Чому результати дослідів Майкельсона - Морлі були названі «найбільшими з усіх негативних результатів в історії науки»?
  • 4. Який вчений заклав основи електронної теорії?
  • 5. Як в електродинаміки з'явилося перше релятивістське співвідношення?
  • 6. Який фізичний зміст мають: а) скорочення Лоренца - Фіцджеральда; б) перетворення Лоренца?
  • 7. Як пов'язані маса і енергія в релятивістської теорії? Ким була отримана ця залежність?
  • 8. У якому праці Лоренца викладені основи електронної теорії?
  • 9. Які вчені запропонували концепції неевклідових геометрій?
  • 10. Завдяки яким дослідженням відомий Е. Мах як фізик?

Завдання для самостійної роботи

  • 1. Ефір. Чому він був необхідний вченим кінця XIX в. і чому ми обходимося без нього зараз?
  • 2. Фундаментальні експерименти Майкельсона - Морлі.
  • 3. X. А. Лоренц. Біографія і головні наукові досягнення.
  • 4. Історія відкриття перетворень Лоренца.
  • 5. Внесок ірландських фізиків-теоретиків в теорію відносності.
  • 6. Роль А. Пуанкаре в створенні спеціальної теорії відносності.
  • 7. Математичні і астрономічні роботи Пуанкаре.
  • 8. Історія створення неевклідових геометрій.
  • 9. Е. Мах - австрійський фізик-теоретик.
  • 10. Філософські погляди Маха.

рекомендована література

  • 1. Кудрявцев, П. С. Курс історії фізики. - 2-е вид. - М.: Просвещение, 1982.
  • 2. Кудрявцев, П. С. Історія фізики: в 3 т. - М.: Просвещение, 1956-1971.
  • 3. Спаський, Б. І. Історія фізики: в 2 т. - М .: Вища школа, 1977.
  • 4. Дорфман, Я. Г. Всесвітня історія фізики: в 2 т. - М.: Наука, 1974-1979.
  • 5. Голін, Г. М. Класики фізичної науки (з найдавніших часів до початку XX ст.) / Г. М. Голін, С. Р. Філоновіч. - М.: Вища школа, 1989.
  • 6. Храмов, Ю. А. Фізики. Біографічний довідник. - М .: Наука, 1983.
  • 7. Лауреати Нобелівської премії: енциклопедія: пров. з англ. - М .: Прогрес, 1992.
  • 8. Лоренц, X. А. Старі і нові проблеми фізики. - М .: Наука, 1970.
  • 9. Майкельсон, А. А. Дослідження з оптики. - М .: УРСС, 2004.
  • 10. Александров, П. С. Що таке неевклідова геометрія. - М .: УРСС, 2007.
  • 11. Борн, М. ейнштейнівської теорія відносності. - М .: Мир, 1972.
  • 12. Паулі, В. Теорія відносності. - М .; Л .: Гостехиздат, 1947.
  • 13. Уїттекер, Е. Історія теорії ефіру і електрики. Сучасні теорії 1900-1926. - М .; Іжевськ: ІКД, 2004.
  • 14. Кобзарев, І. Ю. Доповідь А. Пуанкаре і теоретична фізика напередодні створення теорії відносності // УФН. - 1974. - Т. 113. - № 4. - С. 679-694.
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >