Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Ноября 2013 в 14:21, курсовая работа
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.
Но на самом деле Земля движется в системе Коперника (орбитальное движение; вращением пренебрегаем). Пусть V1 – скорость света от звезды относительно системы Коперника, V2 – скорость системы Коперника относительно Земли (V2 = 29,8 км/с), а V3 – скорость этого света относительно Земли. На среднем рисунке показано сложение скоростей, которое определяет кажущееся направление на звезду. Телескоп должен составлять с горизонтом угол, равный не a, а a – d. В простейшем случае, когда скорости V1 и V2 направлены перпендикулярно (истинное положение звезды в зените), tgd = V2/V1. Если наблюдать звезду, находящуюся точно в одном из двух полюсов эклиптики, то есть на оси Солнечной системы, истинное смещение будет идти по окружности. Оно становится прямолинейным у звезды находящихся в плоскости эклиптики, и эллипсоидным во всех других случаях.
Брадлей измерил угол d (точнее, изменение угла a – d в течение года) и, зная скорость движения Земли по орбите, вычислил скорость света. Он получил для V2 = c значение, близкое к полученному ранее Ремером при наблюдениях за движением спутников Юпитера: c = 300870 км/с.
Брадлей, конечно, и подумать не мог, что скорость света не подчиняется обычному закону сложения скоростей. Но значение угла d, вычисленное по его формуле, будет мало отличаться от вычисленного по современной формуле, полученной в согласии с СТО.
Вторым вопросом, который подвергался рассмотрению, был вопрос о возможном влиянии движения тела на преломление в нём света, испускаемого неподвижными в системе Коперника небесными светилами. С точки зрения корпускулярной теории света казалось естественным предположить, что показатель преломления тела, движущегося относительно источника света, должен зависеть от скорости и направления такого движения. Действительно, ведь в этом случае световая частица встречает тело со скоростью, которая зависит от скорости этого движения. Показатель преломления должен определяться скоростью световых частиц относительно тела. Поэтому, например, казалось вполне возможным ожидать, что фокусное расстояние линзы, измеренное при помощи света от земного источника, отличается от такового, если для измерения использовать свет от звёзд. Идея о наличии такого эффекта приходила в голову ученым ещё в XVIII веке. В 1810 г. Араго поставил опыт, с помощью которого рассчитывал определить, как зависит показатель преломления призмы от направления на наблюдаемую через призму звезду, т.е. от скорости света относительно призмы.
Сначала Араго, наверно, сильно удивился: опыт стабильно давал отрицательный результат. Показатель преломления не зависел от направления на звезду. Что бы это могло означать? Показатель преломления не зависит от скорости световых частиц относительно призмы? Странно. Мысль о том, что скорость света не зависит от движения звезды относительно Земли, наверно никак не могла прийти в голову Араго. Ведь он был уверен, что свет – это летящие частицы, скорости которых складываются по обычному, классическому закону. Он и подумать не мог, что свет в этом отношении ведёт себя особенно.
Объясняя свой опыт, Араго выдвинул остроумную гипотезу. Светящееся тело испускает частицы с разными скоростями, но из них только частицы, обладающие определёнными скоростями относительно глаза, вызывают в нём ощущение света. Тогда свет, видимый земным наблюдателем, всегда должен иметь одну и ту же скорость относительно призмы в опыте Араго и всегда одинаково преломляться. Скорость частиц этого света относительно звёзд может быть разной, но это уже никак не связано с результатом наблюдений.
Согласуется ли эта гипотеза с явлением аберрации света? Легко видеть, что да. Представим, что Земля остановилась в некоторой точке орбиты. Тогда при наблюдении звезды труба телескопа будет совпадать с истинным направлением на звезду, а свет будет попадать в глаз со скоростью c. В реальной ситуации свет попадает в глаз с такой же скоростью (иначе он для глаза не свет). Но труба телескопа направлена под другим углом, и скорость фиксируемых глазом световых частиц в системе Коперника будет отличаться от c. Но это отличие мало по сравнению с самой скоростью света. Им можно пренебречь и получить брадлеевскую формулу для угла аберрации.
Перейдём к волновым представлениям о свете. В начале XIX в. уже были известны такие явления, как интерференция и дифракция света. В это время Юнг наблюдал эти явления и понял, что одной корпускулярной теорией света не обойтись. Таким образом, в начале XIX в. возрождалась и приобретала новый масштаб волновая теория света. И было необходимо обсудить с позиций этой теории опыт Араго и аберрацию света.
Представления о волновой теории света были связаны с эфиром. Именно в эфире, а не в пустоте, распространяется свет. Сейчас нам кажется странным принцип Гюйгенса, который говорит о том, что каждая точка в пространстве, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Что излучает волны, если эта точка находится в воздухе или вакууме? Ответ на этот вопрос такой: ничто не излучает, но уже имеющийся свет распространяется так, как если бы что-то излучало. То есть, свет «огибает» препятствия, меняет своё направление, и это выглядит так, как если бы «огибания» не было, но в вакууме были бы источники вторичных волн. И сейчас мы говорим, что принцип Гюйгенса-Френеля – это математический приём, позволяющий решать задачи (напр. по дифракции), но он не вскрывает физическую сущность явления дифракции.
Для Гюйгенса и Френеля всё было иначе. Их принцип был наполнен физическим смыслом, т.к. для них свет распространялся в эфире. Они могли сравнить эфир с воздухом, а световые волны – со звуковыми. А для воздуха всё верно: в точке, до которой дошло возмущение, создаётся избыток давления, и она сама на маленькое время становится источником вторичных волн.
Короче говоря, физики имели дело с эфиром. Это было связано с рядом трудностей. Нужно было как-то предположить: как взаимодействуют весомые тела и эфир (считали, что эфир проникает в тела); отличается ли эфир внутри тел от эфира вне тел, и если да, то чем; как ведёт себя эфир внутри тел при их движении и т.д.
Юнг в своих работах коснулся оптики движущихся тел. Уже в 1804 г. он отметил, что явление аберрации может быть объяснено волновой теорией света, если предположить, что эфир повсюду, в том числе и внутри движущихся тел, остаётся неподвижным. То есть, существует некоторая особая система отсчёта (точнее, бесконечно много систем), в которой эфир покоится. И в этой системе он покоится всегда, проникая во все тела, но не увлекаясь ими. В этом случае аберрация света объясняется, как и в корпускулярной теории света (вместо частицы бежит волна; её скорость в эфире постоянна и определяется свойствами эфира).
Однако гипотеза Юнга о неувлекающемся эфире не могла объяснить опыт Араго, ведь у всех волн света в эфире одна скорость, подобно тому, как у всех звуков в воздухе. Поэтому Френель, который заинтересовался результатами опыта Араго, отказался от гипотезы Юнга. Но Френель не мог принять и противоположную гипотезу о том, что эфир полностью увлекается движущимся телом (эфир внутри тела движется со скоростью тела относительно эфира вне тел). Такая гипотеза не могла объяснить аберрацию света.
Френелю пришла в голову интересная идея о том, что эфир увлекается движущимися телами частично. Используя эту гипотезу, он сумел объяснить и аберрацию света, и опыт Араго.
По предположению Френеля, эфир внутри весомых тел отличается от эфира вне этих тел только своей плотностью. Что же касается упругих свойств эфира – они везде одинаковы. Если r - плотность эфира внутри тела, а r0 – плотность эфира в пространстве, где нет тел, то по Френелю, существует соотношение:
где c и c1 – скорости света в вакууме и в данном теле соответственно. Последнее равенство объясняется так. Пусть k – величина, характеризующая упругие свойства эфира. Тогда для скорости света верна формула, аналогичная формуле для скорости звука. Скорость зависит от плотности:
Гипотеза Френеля состоит в следующем. В теле плотность эфира больше, чем в пространстве, т.к. скорость света там меньше. Двигаясь, тело переносит в себе не весь эфир, а только его избыток, т.е. плотность увлекаемого эфира равна r – r0. Определив теперь скорость w всего эфира, находящегося внутри тела, как скорость движения центра масс неподвижной части эфира и избытка (того, который движется с телом), Френель в результате простых вычислений получает формулу:
где u – скорость данного тела относительно эфира. Таким образом, скорость света в движущемся теле относительно эфира равна
где c1 – скорость света в теле, когда оно неподвижно.
На основе предложенной гипотезы Френель объясняет опыт Араго. Он показывает, что если при расчёте влияния движения призмы на преломление света пренебречь величинами порядка v2/c2 и выше, то такое влияние отсутствует. Таким образом, хотя движение Земли в эфире должно влиять на показатель преломления тел на ней, это влияние слишком мало, чтобы Араго мог его обнаружить.
Френель пишет, что и другие оптические опыты, поставленные на Земле, практически не могут быть использованы для определения движения Земли относительно эфира. Он рассматривает следующий опыт. На продолжении оси зрительной трубы, наполненной водой, помещают скрепленный с ней точечный источник света так, чтобы он был чётко виден в трубу. Трубу располагают так, чтобы её ось была перпендикулярна плоскости эклиптики, и совмещают изображение источника с крестом нитей, помещённым в трубе. Затем всю трубу вместе с источником поворачивают на 180° и смотрят, произойдёт ли смещение изображения относительно креста нитей. Проведя расчёт на основе своей гипотезы, Френель показывает, что порядок величины ожидаемого смещения должен быть таким же, как в опыте Араго, т.е. его практически невозможно обнаружить. Таким образом, и этот опыт нельзя использовать для определения движения Земли относительно эфира.
В дальнейшем Лоренц привёл более общее доказательство того, что движение относительно эфира не оказывает влияния на любые оптические явления с точностью до второго порядка величины v/c.
В середине 40-х годов XIX в. английский учёный Стокс разработал новую теорию аберрации. Он исходил из предположения, что Земля при своём движении полностью увлекает находящийся в ней эфир, так что скорость эфира на поверхности Земли равна скорости Земли. И, кроме того, эфир внутри Земли тянет за собой эфир, окружающий Землю. Движение эфира, увлекаемого Землёй, является безвихревым во всём окружающем пространстве, вплоть до тех областей, где эфир пребывает в покое. Такое предположение объясняет аберрацию света. Помимо этого, оно объясняет и опыт Араго. Из него также следует, что абсолютно в любых оптических опытах, проведённых на Земле, не может быть найдена скорость движения Земли относительно эфира (и вообще обнаружено это движение). Сравнивая свою теорию с теорией Френеля, Стокс указывал, что эти теории хотя и основываются на противоположных гипотезах, но практически приводят к одним и тем же результатам. Различие только в том, что по Френелю движение в эфире оказывает влияние на оптические явления, но оно мало, чтобы его обнаружить; а по Стоксу такое движение вообще не оказывает влияния.
Были проделаны и другие опыты, имевшие целью обнаружить движение Земли относительно эфира. Они также не дали положительных результатов и также объяснялись и теорией Френеля, и теорией Стокса. Среди них не было опыта, который смог бы обнаружить эффект порядка v2/c2 и выбрать правильной теорию Френеля (если эффект есть) или теорию Стокса (если эффекта нет).
Наконец, в 1851 г. француз Физо провёл опыт, который склонял чашу весов в пользу Френеля. Опыт заключался в измерении скорости света в текущей воде. Физо установил влияние движения воды на распространение в ней света, а также то, что в пределах погрешностей этот опыт можно считать подтверждением теории Френеля о частично увлекающемся эфире. В 1886 г. Майкельсон и Морли проделали аналогичный опыт со значительно большей точностью и подтвердили выводы Физо. Результаты проделанного опыта Физо расценил как бесспорное подтверждение теории Френеля и опровержение теории Стокса. Однако этот опыт свидетельствовал только, что обычные прозрачные тела небольших размеров при своём движении частично увлекают эфир. Вопрос о том, что происходит с эфиром, когда в нём движется такое огромное тело, как Земля, ещё нельзя было считать полностью решённым.
В 60-х годах проблемой
Максвелл рассматривал вопрос о возможности постановки опыта, который мог бы однозначно решить, какая из теорий (Френеля или Стокса) является справедливой. Это опыт, в котором измерялась бы скорость света, идущего от земного источника в направлении движения Земли, а затем сравнивалась со скоростью света в противоположном направлении. Очевидно, что если Земля не увлекает эфир при своём движении, то в первом случае эта скорость должна равняться c1 = c – v = c(1 – v/c), а во втором случае c2 = c + v = c(1 + v/c), где v – скорость Земли в эфире. Таким образом, разница в скорости света в первом и втором случаях первого порядка малости относительно v/c. Однако в таком опыте нужно измерять время прохождения светом определённого расстояния в заданном направлении, а такая задача была экспериментально неразрешима. Поэтому во всех проводимых на Земле опытах по определению скорости света измерялось время, которое требуется свету для прохождения в прямом и обратном направлениях (туда и обратно). Значит, для того, чтобы определить влияние движения Земли на скорость света, остаётся возможность сравнить время прохождения светом определённого расстояния L туда и обратно один раз вдоль движения Земли, а другой раз, например, в перпендикулярном направлении. Но в этом случае разница во времени в первом и втором случаях является величиной уже второго порядка малости относительно v/c, т.е. величиной порядка v2/c2.
Информация о работе История создания специальной теории относительности