История создания специальной теории относительности

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Ноября 2013 в 14:21, курсовая работа

Описание работы

Среди выдающихся физических теорий особое место занимает теория относительности. В наш бурный век почти каждый что-либо слышал о ней и об Эйнштейне, её гениальном создателе. Наверно в мире нет другой столь знаменитой, нашумевшей и широко обсуждаемой теории; нет и столь легендарного учёного, как Эйнштейн. Его имя, возможно по счастливому для него стечению обстоятельств, долгое время было, да и сейчас остаётся, символом гениальности. И на вопрос о том, кто создал теорию относительности, большинство людей без раздумий скажут: Эйнштейн. И первое, что мы отметим в данной работе – это в большой степени действительно так, но не совсем.

Файлы: 1 файл

Курсовая работа студента группы 208 физического факультета ромаш.doc

— 850.45 Кб (Скачать файл)

Автор данной работы – далеко не первый, кто высказал подобные взгляды на кривизну пространства. Как уже сказано, геометрия Лобачевского поначалу имела мало сторонников. Изменилась эта ситуация лишь в конце 50-х годов XIX в., когда итальянский математик Бельтрами указал на правильное место геометрии Лобачевского в представлениях о пространстве. В своих работах Бельтрами показал, что планиметрия Лобачевского может быть реализована в евклидовом пространстве как внутренняя геометрия поверхностей постоянной отрицательной кривизны. То есть, геометрия Лобачевского, как и Римана, существует «на фоне» геометрии Евклида. После этого оживший интерес к геометрии Лобачевского, а затем и Римана, вызвал многочисленные исследования в области неевклидовых геометрий и аксиоматики геометрии. В результате этих исследований во второй половине XIX в. были созданы новые области математики.

Однако не все правильно понимали роль неевклидовых геометрий в представлении о пространстве. Некоторые учёные полагали, что утверждение о кривизне пространства имеет физический смысл. Многие считали, что доказательство непротиворечивости неевклидовых геометрий ставит эти геометрии в один ряд с евклидовой. Таким образом, подверглось критике учение Канта о пространстве. Считалось, что, вопреки мнению Канта, представления о действительных свойствах реального пространства не априорны, а являются обобщением многовекового опыта человечества. Таких взглядов придерживался, например, Гельмгольц. В одной из своих работ он писал, что признание возможности существования неевклидовых пространств опровергает мнение Канта о том, что «аксиомы геометрии суть необходимые следствия априорно данной трансцендентальной формы наших наглядных представлений, в смысле Канта». Наши знания о свойствах пространства, подчёркивал Гельмгольц, есть «не что иное, как эмпирическое знание, приобретённое путём накопления и усиления однородно возобновляющихся впечатлений, а никак не трансцендентальная и данная до всякого опыта форма сознания».

Таким образом, Бельтрами ещё не твёрдо поставил акцент на роли неевклидовых геометрий в представлениях о пространстве. Представления о том, что свойства неевклидовых пространств имеют смысл как свойства того первоначального, что мы понимаем под пространством, продолжали развиваться.

    1. Физика в неевклидовых пространствах  
      и пересмотр взглядов Ньютона

Развитие представлений о неевклидовых пространствах привело к вопросу о построении механики в таких пространствах. Первые работы в этом направлении были связаны с вопросом, не противоречит ли неевклидова геометрия принципам механики? Если бы удалось доказать невозможность построения механики в неевклидовом пространстве, то была бы сразу опровергнута мысль о возможности реального неевклидова пространства. Однако результаты, полученные в этом направлении, показали, что в неевклидовом пространстве может быть построена механика.

Однако всё же появление неевклидовой геометрии, а затем «неевклидовой механики», первоначально не затронуло физику. Для физиков пространство оставалось евклидовым, и не было никакой необходимости рассматривать физические явления в неевклидовом пространстве. Так продолжалось до возникновения общей теории относительности, когда основные идеи и математический аппарат неевклидовой геометрии вдруг оказались в центре внимания физиков. Правда, следует отметить, что открытие неевклидовой геометрии приводило иногда к возникновению совершенно новых физических идей, получивших своё развитие позже. Так, английский математик Клиффорд в 70-х годах высказал идею, что многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Он даже предложил нечто вроде полевой теории материи, в которой материальные частицы представляют собой сильно искривлённые области пространства. Они подобны «холмам» на ровной местности, и перемещение этих частиц есть не что иное, как перемещение таких «холмов» от одной точки пространства к другой. При этом Клиффорд считал, что «в физике нет ничего иного, кроме изменений кривизны пространства». Дж. Уилер, приводя эти слова Клиффорда, видит в нём предшественника Эйнштейна, его полевой теории материи.

Если говорить о мнении автора по поводу позиций Клиффорда, то оно аналогично мнению по поводу римановой геометрии и ракеты, которая может по кругу вернуться к Земле. Понятие о кривизне чего-либо существует «на фоне» евклидовой геометрии. Поэтому, мысль о том, что какие-либо физические явления объясняются кривизной пространства, не имеет логической ценности. Утверждение о том, что какое-либо явление объясняется кривизной пространства, можно сравнить с тем, например, что дифракция объясняется принципом Гюйгенса. Сегодня, когда представления об эфире можно считать оставшимися в прошлом, ясно, что принцип Гюйгенса только описывает явления оптики математически, но не вскрывает их физическую природу. Также и кривизна пространства: риманова геометрия может удобно описать некоторые явления математически, но утверждение о том, что эти явления объясняются кривизной пространства, лишены логической ценности.

Как известно, представления о кривизне пространства нашли отражение в  общей теории относительности. Автор  полагает, что в этом заключается  недостаток данной теории. Представления о кривизне поверхностей можно использовать в качестве наглядных иллюстраций к различным явлениям. Например, в квантовой физике известен так называемый «туннельный эффект». Чтобы преодолеть область, в которой частица имеет большую потенциальную энергию, она должна иметь большую кинетическую энергию. В качестве иллюстрации рисуют «холм» (как у Клиффорда), чтобы преодолеть который, частица должна иметь определённую энергию. Но в холме существует «туннель», через который частицы с определённой вероятностью могут пройти, не поднимаясь на холм. Представление о кривизне пространства помогают, таким образом, описать явление, но не вскрывают его природу.

Другое направление в развитии общих представлений о пространстве и времени заключалось в критике и пересмотре взглядов Ньютона на существование абсолютного движения как движения относительно абсолютного пространства, или некоторой абсолютной системы отсчёта.

Под влиянием авторитета Ньютона подавляющее  большинство физиков XVIII и первой половины XIX в. соглашались со взглядами Ньютона на абсолютное и относительное движение. Однако, начиная со второй половины XIX в. понятие абсолютного движения начинает подвергаться внимательному рассмотрению. Прежде всего предпринимается попытка придать понятиям абсолютного пространства и абсолютной системы отсчёта новое научное содержание, очистив их от того, как говорили некоторые, «метафизического» смысла, который придал им Ньютон.

В 1870 г. К. Нейман ввёл понятие a-тела, как такого тела во вселенной, которое считается неподвижным и с которым можно связать абсолютную систему отсчёта. Томсон и Тэт в своём неоднократно переиздававшемся фундаментальном курсе физики предложили принять за a-тело такое тело, которое совпадает с центром масс всей вселенной, полагая, что этот центр масс можно считать находящимся в абсолютном покое. Отметим, что при таком выборе a-тела возникает некоторая трудность: оно определено неоднозначно. Ведь центр масс – это только одна точка. Её координаты в любой системе отсчёта теоретически можно вычислить. Но положение абсолютно твёрдого тела, а вместе с тем и жёстко связанной с ним системы отсчёта, задаётся тремя точками. Таким образом, центр масс вселенной – это только одна из необходимых трёх точек, не лежащих на одной прямой, которые однозначно определяют абсолютную систему отсчёта. Допустим, мы связали с центром масс вселенной начало абсолютной системы отсчёта. Чтобы определить, как ориентированы оси этой системы относительно какого-нибудь объекта и движутся ли они относительно этого объекта, нужны дополнительные наблюдения или опыты, аналогичные тем, что проводил Ньютон.

Однако вопреки мнениям об a-теле всё чаще и чаще высказывались соображения о том, что само понятие движения как движения относительно некоего абсолютного пространства лишено всякого научного содержания. Вместе с этим лишается содержания понятие абсолютной системы отсчёта и вводится более общее и научное понятие инерциальной системы отсчёта, не связанное с понятием абсолютного пространства. Так, например, Штрейнц в «Физических основах механики» утверждает, что понятие абсолютной системы координат бессодержательно. Все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием других тел, равноправны.

В 1886 г. Л. Ланге, проводя исторический анализ развития механики и утверждая бессодержательность понятия абсолютного пространства, предложил определение инерциальной системы координат. «Инерциальной системой называется такая координатная система, по отношению к которой траектории, описываемые тремя одновременно вышедшими из одного и того же пункта пространства точками и затем предоставленными самим себе, будут прямолинейными».

Правда, Ланге не объяснил, почему же одни системы отсчёта являются инерциальными, а другие нет. Наиболее интересный взгляд на относительность движения высказал Мах в конце XIX в.

    1. Взгляды Маха на пространство и время. Объяснение абсолютного движения с точки зрения обмена информацией между телами.

Мах изначально считал, что как  о скорости и положении, так и  об ускорении тела имеет смысл  говорить только по отношению к другим телам. Для Маха были чуждыми представления об абсолютном пространстве. Он рассматривал опыт Ньютона с вращающимся ведром. При вращении в некоторой системе отсчёта вода поднимается, и Ньютон называет эту систему абсолютной. Но есть ли смысл называть её абсолютной? Ведь она всё равно связана с конкретными телами, например, с лабораторией, в которой проводился опыт с ведром. О своём отношении к понятию чего-либо абсолютного Мах писал:

«Для меня вообще существует только относительное движение, и я не могу здесь допустить какую-нибудь разницу между движением вращательным и поступательным. Если тело вращается относительно неба неподвижных звёзд, то развиваются центробежные силы, а если оно вращается относительно какого-нибудь другого тела, а не относительно неба неподвижных звёзд, то таких центробежных сил нет. Я ничего не имею против того, чтобы первое вращение называли абсолютным, если только не забывают, что это означает не что иное, как относительное вращение относительно неба неподвижных звёзд. Можем ли мы, удержав неподвижным сосуд с водой Ньютона, заставить вращаться небо неподвижных звёзд и тогда доказать отсутствие центробежных сил?

Опыт этот неосуществим, сама мысль  о нём вообще не имеет никакого смысла, ибо оба случая чувственно не могут быть отличены друг от друга. Я считаю поэтому оба случая за один и тот же случай и различие Ньютона за иллюзию».

В связи с этим Мах рассматривал системы Птолемея и Коперника  как равноправные, считая последнюю  более практичной.

Взгляды Маха на относительность всякого движения были связаны с его общими философскими принципами. Мах относился к идеалистам. Не признавая абсолютного пространства Ньютона, он не признавал объективного существования пространства вообще: «Пространство и время представляют собой в физиологическом отношении особые роды ощущений, а в физическом отношении – функциональные зависимости друг от друга элементов, охарактеризованных чувственными ощущениями».

И в другом месте: «Пространство и время суть хорошо упорядоченные системы рядов ощущений».

В связи с такими взглядами на пространство и время для Маха было чуждым представление о движении относительно пространства. Всякое движение относительно пространства для него не имеет никакого смысла. О движении, по Маху, можно говорить только по отношению к телам. Поэтому все величины, определяющие состояние движения, являются относительными. На эту точку зрения Маха современные ему физики либо мало обращали внимания, либо выступали с критикой. Так, например, М. Планк в статье «Теория физического познания Эрнста Маха» весьма резко отозвался о рассуждениях Маха, назвав их путаными. Он писал: «Мах не в состоянии усвоить тот огромный прогресс в науке, которым мы обязаны мировоззрению Коперника. Уже одного этого факта достаточно, чтобы набросить тень сомнения на теорию познания Маха».

Однако, несмотря на идеалистический  подход к проблеме относительности  движения, Мах высказал очень интересную идею, которая нашла своё отражение  в общей теории относительности. Рассмотрим эту идею. Мы ещё не дали ответа на вопрос: почему при вращении ведра с водой в одних системах отсчёта вода в нём поднимается по стенкам, а при вращении в других – нет? Можно ли объяснить это, не прибегая к понятию абсолютного пространства? Какова физическая причина этого? Мах нашёл этому весьма остроумное объяснение. Он заметил, что вода в ведре поднимается в том случае, если ведро вращается относительно огромных масс вселенной (относительно неба неподвижных звёзд). Если же ведро вращается относительно карусели, на которой сидит наблюдатель, а относительно большей части вселенной покоится, то вода в нём не поднимается. Из этого факта Мах сделал вывод, что вода в ведре каким-то образом «знает», или «различает», относительно сколь большой массы оно вращается и с каким ускорением. Чем больше эта масса и чем больше ускорение, тем больше изменяется форма поверхности воды. Таким образом, если бы во вселенной было мало звёзд (масса вселенной была бы меньше), то при той же угловой скорости вращения поверхность воды изменялась бы меньше. Если бы во вселенной осталась только одна небольшая лаборатория, где проводится опыт с ведром воды, то поверхность воды почти совсем не изменялась бы.

Говоря современным языком, вода в ведре получает информацию от всех тел во вселенной. Она «знает», относительно сколь большой массы она вращается. А так как подобные опыты можно провести не только с ведром воды (инерциальные явления наблюдаются при размывании берегов рек, изнашивании железнодорожных рельсов и т.д.) можно заключить, что все материальные тела во вселенной как-то обмениваются между собой информацией.

Мах не пользовался термином «информация», но он указал, что величина подъёма  воды, а также инерционные свойства всех тел, зависят от общей массы  вселенной, относительно которой они движутся. Это положение известно как принцип Маха (вообще, выделяют несколько принципов Маха, но мы рассмотрели один).

После Маха комплекс вопросов об абсолютном пространстве и абсолютном движении приобрёл новый смысл в связи с развитием электродинамики движущихся сред, с представлениями об эфире. Эти представления мы уже рассмотрели, поэтому перейдём непосредственно к созданию специальной теории относительности.

  1. Создание специальной теории относительности

    1. Возникновение постулатов Эйнштейна. Их интуитивное и опытное обоснование.

Появлению статьи Эйнштейна «К электродинамике  движущихся тел» в 1905 г., в которой впервые были изложены основы теории относительности, предшествовало, по словам самого автора, 7-10 лет упорных размышлений над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления. Эйнштейн пришёл к выводу, что в отношении электромагнитных явлений все инерциальные системы отсчёта совершенно равноправны, т.е. к принципу относительности. На основании каких фактов пришёл к этому выводу Эйнштейн, можно судить по его замечаниям в указанной выше статье. Он ссылается на то, что явление электромагнитной индукции зависит исключительно только от относительного движения проводника и магнита, а также на отрицательный результат опытов по определению скорости движения Земли относительно эфира.

Информация о работе История создания специальной теории относительности