Всего на сайте:
148 тыс. 196 статей

Главная | Естествознание

БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ПРИРОДЕ  Просмотрен 272

  1. Все тела отсчета К, К* и т. д. равноценны для описания природы (формулировки общих законов природы), в каком бы состоянии движения они не находились».
  2. Все гауссовы системы координат принципиально равноценны для формулировки общих законов природы.
  3. ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ПРИРОДЕ
  4. Кодон(триплет) — единица генетического кода; состоит из трех последо­вательных нуклеотидов в молекуле ДНКили РНК.
  5. Полисомы— комплексы из нескольких рибосом, соединенных информа­ционной РНК.
  6. ЗАДАНИЕ N 11.. Укажите последовательность, в которой исторически развивалось химическ..
  7. ЗАДАНИЕ N 22.. Новое состояние биосферы, когда человеческая мысль и деятельность стан..
  8. ЗАДАНИЕ N 10.. Укажите положение, которое соответствует квантовой механике: ВАРИАНТЫ..
  9. МИРЕ ОТ НЬЮТОНА ДО СОВРЕМЕННОСТИ
  10. Подготовительные тесты по КСЕ.
  11. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
  12. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

ГЛАВА 3.

§6. БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА

 

1. Принципы относительности Галилея и Эйнштейна.

2. Принципы неопределенности и дополнительности.

3. Принцип суперпозиции.

4. Принципы симметрии.

6.1. Принципы относительности Галилея и Эйнштейна

 

Впервые принцип относительности был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Для его понимания нам потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое в совокупности с системой координат и часами образует систему отсчета. Среди систем отсчета особо выделяют инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Особая роль инерциальных систем заключается в том, что именно для них выполняется принцип относительности, суть которого в том, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом.

В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формой, или, как принято говорить в науке, они являются ковариантными. Действительно, два разных наблюдателя, находящихся в инерциальных системах, не заметят в них никаких изменений по отношению к иной системе.

Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории.

С созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явлений природы. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждений, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указывает на два аргумента, которые свидетельствовали в пользу всеобщности принципа относительности.

• Этот принцип с большой точностью выполняется в механике, и поэтому можно было надеяться, что он окажется правильным и в электродинамике.

• Если инерциальные системы неравноценны для описания явлений природы, то разумно предположить, что законы природы проще всего описываются лишь в одной инерциальной системе. Например, в системе отсчета, связанной с движущимся вагоном, механические процессы описывались бы сложнее, чем в системе, отнесенной к железнодорожному полотну. Еще более показателен пример, если рассматривается движение Земли вокруг Солнца (со скоростью ~30 километров в секунду). Если бы принцип относительности в данном случае не выполнялся, то законы движения тел зависели бы от направления и пространственной ориентировки Земли. Ничего подобного, т.е. физической неравноценности различных направлений, при проведении большого количества экспериментов не обнаружено. Однако при этом возникает кажущаяся несовместимость принципа относительности с хорошо установленным принципом постоянства скорости света в пустоте (300 000 км/с).

Возникает дилемма: необходим отказ либо от принципа постоянства скорости света, либо от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно и однозначно, что отказ от него был бы явно неоправданным и к тому же связан с чрезмерным усложнением описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.

В действительности, как удалось доказать А. Эйнштейну, закон распространения света и принцип относительности совместимы. И это положение составляет основу специальной теории относительности. Он предположил, что в отличие от классической механики величины промежутка времени и расстояния не имеют абсолютных значений, т.

е. зависят от состояния движения тела отсчета.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времен, то при равномерном движении вдоль оси x уравнения преобразования будут иметь следующий вид:

х1 = х – vt, y = y1, z = z1, t = t1.

Эти уравнения часто называют преобразованиями Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворять также требованию постоянства скорости света, то они описываются уравнениями Лоренца, названных по имени нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца (1853 – 1928). Когда одна система отсчета движется относительно другой равномерно прямолинейно вдоль оси абсцисс х, тогда координаты и время в движущейся системе выражаются уравнениями:

x1 = (x – vt) (1 – b2)–1/2, y = y1, z = z1, t1 = (t – vx/c2) (1 – b2)–1/2,

где: b = v/c.

Опираясь на преобразования Лоренца, легко проверить, что движущаяся твердая линейка будет представляться короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется. Нетрудно также установить связь между преобразованиями Лоренца и Галилея. Если принять скорость света бесконечно большой, то при подстановке ее в уравнения Лоренца последние переходят в уравнения Галилея. Специальная теория касается в основном законов быстрых перемещений, т.е. движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В обычных земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину и ими во многих случаях практически можно пренебречь. Достаточно, например, отметить, что даже при скорости движения спутника Земли, равной примерно 8 км/с, поправка к массе составит около одной двухмиллиардной ее части.

Во втором законе Ньютона ( = ) масса считалась постоянной, в теории относительности она зависит от скорости движения и выражается формулой:

m = m0 (1 – b2)–1/2

где m0 – масса покоя тела. Когда скорость тела приближается к скорости света, масса его неограниченно растет и в пределе приближается к бесконечности. Именно поэтому, согласно теории относительности, движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны. Движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере электронов, а затем и других элементарных частиц. Тщательно поставленные эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания теории об увеличении их массы с возрастанием скорости.

В специальной теории относительности, как мы видели, все системы отсчета предполагаются инерциальными, т.е.

движущимися друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Чтобы лучше понять сущность общей теории относительности, рассмотрим пример с падением тела на поверхность Земли. Как мы объясняем обычно такие явления? Мы говорим, что Земля притягивает к себе тело согласно закону всемирного тяготения.Ньютонсчитал, что силы тяготения действуют мгновенно на любом расстоянии и величина их убывает пропорционально квадрату расстояния. Такое предположение оказалось, однако, необоснованным, ибо мгновенные взаимодействия отсутствуют в природе. Всякое взаимодействие передается с определенной скоростью в некотором поле. Понятие о поле возникло в связи с изучением электромагнитных процессов и было введено в физику М. Фарадеем. Оно изображалось в виде силовых линий, передающих воздействие одного тела на другое. Когда мы говорим, что магнит притягивает к себе железные предметы, то их движение происходит по направлению силовых линий. Аналогичным образом вводится понятие поля тяготения, которое существенно отличается от других физических полей тем, что его действие не зависит от природы и свойств тел, кроме их массы.

Теперь мы знаем, что относительно всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета законы движения тел описываются одинаково, т. е. имеют ту же математическую форму и выражаются теми же уравнениями. Часто также говорят, что по отношению к инерциальным системам отсчета законы движения имеют ковариантную форму.

Возникает вопрос: а что произойдет, если вместо инерциальных систем взять другие системы отсчета, например, движущиеся с ускорением? Ответ на него дает общая теория относительности, которая так называется потому, что обобщает частный, или специальный, принцип относительности, который мы рассматривали выше. Эйнштейн так формулирует суть общей теории относительности:

Предыдущая статья:ЗАКОНЫ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Следующая статья:Все тела отсчета К, К* и т. д. равноценны для описания природы (формулировки общих законов природы), в каком бы состоянии движения они не находились».
page speed (0.0351 sec, direct)