Механический принцип относительности 2 страница

Современная физика находит выход из этой ситуации: по мнению Л.Ландау[90] общая теория относительности рассматривает Вселенную как систему, находящуюся в переменном гравитационном поле, и в таких условиях закон возрастания энтропии неприменим. А. Фридман[91] доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна расширяться или сжиматься. В этом случае из возрастания энтропии не следует стремления системы к термодинамического равновесию и парадокс «тепловой смерти» Вселенной не возникает.

Критика теории «тепловой смерти» Вселенной основывается в основном на утверждении, что, несмотря на логичность аргументов, тепловая смерть все еще не наступила (т. н. в космологии «термодинамический парадокс»).

В любом случае знания о Вселенной еще ничтожно малы, поэтому любые прогнозы относительно будущего Вселенной остаются лишь догадками. Например, в соответствии с современными физическими представлениями мы можем говорить лишь о наблюдаемой части Вселенной. На данном этапе человечество не имеет возможности доказать ни то, что Вселенная есть замкнутая система, ни обратное.

2.1.3. Электромагнитная картина мира

«Скажите мне, что такое электричество,

 и я объясню вам все остальное»

 У.Томсон[92]

2.2.3.1. Предмет электродинамики

Механические взгляды на материальный мир господствовали в естествознании не только в XVII и XVIII вв., но и почти весь XIX в. Познать что-либо означало построить механическую модель изучаемого явления и таким образом свести его к законам механики. Эта установка господствовала в сознании ученых столь прочно, что даже Д. Максвелл, создатель теории электромагнитного поля, вначале пытался объяснить его, используя механические модели.

Механическая картина мира знала только один вид материи – вещество, состоящее из частиц, имеющих массу. В XIX в. к числу свойств частиц стали прибавлять электрический заряд.

Следующим этапом в познании природы явилась электродинамика М. Фарадея[93] и Д. Максвелла, на создание которой повлияли идеи континуализма[94]и динамизма[95].

Классическая электродинамика — это теория (не квантовая) электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами (электромагнитное взаимодействие[96]).

Известно, что Фарадей отвергал атомистическую гипотезу и полагал, что в основе всех явлений природы лежит универсальное непрерывное физическое поле. Таким образом, в качестве элементарного основания физической реальности стали рассматриваться не частицы, корпускулы, а поле, которое, в отличие от корпускул, непрерывно. Новое понимание физической реальности требовало новой трактовки ее основных свойств — движения, взаимодействия и т.д.

Принцип дальнодействия был заменен принципом близкодействия[97],согласно которому взаимодействие распространяется с конечной скоростью и проходит через все промежуточные точки. Принципы близкодействия и предельной скорости света стали важнейшими в электродинамической картине мира, которая начала складываться на основе электромагнитной теории Максвелла. В новой картине материя выступает в двух формах — веществаи поля. Введение понятия поля— основное достижение электродинамической картины мира. Вещество и поле существуют порознь и не могут переходить друг в друга. Движение понимается не только как движение частиц, но и как распространение поля в виде электромагнитной волны.

2.2.3.2. C тановление электромагнитной картины мира (ЭКМ)

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шёлк, притягивать легкие предметы (предположительно Фалес Милетский[98], VI в. до н.э.) и магнетизма (по легенде пастух Магнус близ г. Магнезия в Малой Азии (ныне Манисса в Турции), предположительно V в. до н.э.).

В 1269 г. Перегрин[99] установил наличие магнитных полюсов, названных впоследствии «северным» и «южным», а в 1600 г. Гильберт[100] обнаружил наличие магнитных полюсов Земли. В 1733 г. Дюфе[101] открыл два вида электричества, установил притяжение разноимённых и отталкивание одноимённых зарядов.

Однако в период создания МКМ об электрических и магнитных явлениях знали всё-таки крайне мало. В XVIII в. интерес к ним резко возрастает. Это связано с открытием электрического характера молнии и проблемой громозащиты (М.В.Ломоносов, Г.Рихман[102]), с установлением физиологического действия электричества (Мушенбрук[103]) и надеждой использовать его в медицине, с применением компаса в мореплавании и проблемой защиты его магнитной стрелки от влияния грозовых разрядов и железных тел. Это – эпоха интенсивного накопления фактов в области электричества и магнетизма. Накопленные факты требуют объяснения.

Теоретическое осмысление электричества начинается с работ Б.Франклина[104] (1750 г.), который ввёл термины «заряд», «разряд», «положительный» и «отрицательный» заряд, «конденсатор», установил закон сохранения электрического заряда; изобрёл громоотвод, полагая, что электричество представляет собой тонкую, невидимую жидкость – электрический флюид, пронизывающий все тела.

И это вроде многое объясняет: электризация – накопления флюида в теле, электроемкость проводника определяет количество флюида, которое он может содержать; электрический ток – поток флюида и т.д. Поскольку за электрические и магнитные явления ответственны разные по природе флюиды, то между этими нет ничего общего и никакой связи. (Остатки этих представлений об электричестве до сих пор сохранились в научном языке, например, говорят, что электрический ток (подобно жидкости) течет от высокого потенциала к низкому). 

К концу XVIII в. установлены уже количественный закон взаимодействия зарядов и закон т.н. «магнитных масс» - законы Кулона[105]. После Кулона открылась возможность построения математической теории электрических и магнитных явлений. В первой четверти XIX в. интенсивно изучается электрический ток (создаются источники тока, устанавливается закон Ома, действия тока). Начиная с опыта Эрстеда[106] (1820 г.) устанавливается связь электрических и магнитных явлений и бурно развивается учение об

электромагнетизме: открывается действие магнита на ток (Ампер[107], Фарадей), взаимодействие токов (Ампер), явление электромагнитной индукции  (Фарадей). Интерес к изучению электромагнетизма стимулируется открытием практического применения электрического тока (создание электромагнита и его применение в телеграфе, тепловое действие тока и его применение в осветительных приборах, электродвигатели, электрохимия).

Все новые открытия в этой области трактуются в духе МКМ и получают механическое объяснение. Это проявляется и в попытках свести электромагнитные явления к движению особых субстанций, и в использовании принципа дальнодействия для объяснения электрических и магнитных взаимодействий.

Итак, в первой половине XIX в. накоплен обширный круг фактов в области электричества и магнетизма, установлены законы электромагнитного взаимодействия, найдены пути практического применения электричества, но нет единой теории электромагнитных явлений. Существующие теории, основанные на представлениях о флюидах, крайне разноречивы (в одних вводятся два электрических флюида, в других – одни, за магнитные явления, ответствен особый флюид, что такое электрический ток ‑ не ясно). От флюидов постепенно отказываются.

Т.к. из открытий Эрстедом магнитного действия тока и Фарадеем явления электромагнитной индукции следует, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны, то должен существовать единый закон электромагнитного взаимодействия, а их существует несколько – законы взаимодействия зарядов и «магнитных масс» Кулона, закон взаимодействия токов (закон Ампера), закон взаимодействия магнита и тока. Неудовлетворенность теоретическими представлениями в учении об электромагнетизме хорошо представляется в высказывании Д.Максвелла: «Мы до сего времени находимся в неведении относительно природы электричества; является ли оно одной субстанцией, двумя или оно вовсе не является ею, чем оно отличается от материи и как связано с нею».

Предпринимается ряд попыток построения единой теории, основанной на идее дальнодействия. Однако эти попытки терпят неудачу. Только один ученый, более других свободный от предвзятых точек зрения, ‑ М.Фарадей пытается обратить внимание не на сами взаимодействующие заряды и токи, а на то, что происходит вокруг них, в окружающей среде. Он объясняет электризацию проводников, поляризацию диэлектриков, намагничивание вещества, рассматривая происходящие в веществе процессы, которые, по его мнению, передаются постепенно от точки к точке. А так как электромагнитное действие передается и через вакуум, то и там действие передается от точки к точке постепенно и, значит, есть какой-то материальный посредник. Так у него возникает идея существования поля.

Эту идею использует Максвелл, развивает её и оформляет математически, создавая теорию электромагнитного поля, в основе которой лежит система уравнений, из которых выводятся все законы электромагнетизма и предсказываются новые идеи – идеи существования электромагнитных волн и электромагнитной природы света. Основные принципы своей концепции он изложил в работах «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864), «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873).

В основе теоретических взглядов Фарадея и Максвелла лежит чуждая МКМ идея близкодействия, идея существования немеханического объекта – поля, требующая отказа от механических представлений.

Правда, и Фарадей, и Максвелл первоначально пытались дать механическое истолкование понятию поля. Так, по мнению М.Фарадея, активная и постоянно движущаяся материя не может быть представлена в виде атома и пустоты, материя непрерывна, атомы есть лишь сгустки силовых линий поля. Само же поле рассматривалось чисто механически, а именно как натяжение силовых линий между зарядами. Процесс передачи электромагнитного взаимодействия рассматривался как процесс возбуждения особой среды ‑ эфира, в котором и распространяются электромагнитные волны в виде натяжений и деформаций этой среды. Однако все попытки экспериментального обнаружения эфира оказались безуспешными. В 1905 г. А.Эйнштейн с созданием специальной теории относительности (СТО) окончательно отказался от идеи существования эфира, что позволило рассматривать электромагнитное поле как самостоятельный физический объект, существующий в природе наряду с веществом.

 Теория Максвелла подтверждается экспериментально (опыты Г.Герца[108], П.Н.Лебедева[109]). Но она не содержит атомистических представлений и основана на идее непрерывности поля, а ведь атомизм – важнейший элемент МКМ. В связи с этим Г.А.Лоренц[110] создает микроскопическую электродинамику, основанную на идее о том, что макрополя обусловлены теми микрополями, которые создаются заряженными микрочастицами, т.е. он вводит атомистику в максвелловскую электродинамику сплошного поля. Необычайные успехи теории электромагнитного поля в единообразном объяснении всех известных явлений и в предсказании новых идей привели к тому, что электродинамика к концу XIX в. стала ведущей отраслью физического знания и возникли новые представления о мире с точки зрения физической науки, новая картина мира ‑ ЭКМ.

Разработанная Максвеллом теория поля способствовала систематическому исследованию электромагнитных явлений, первым важнейшим результатом которого было изобретение радио. При развитии электромагнитной теории поля многие научные исследования предшествовали техническим применениям. Если первая паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики. Практическое применение многих электромагнитных устройств, несомненно, привело к неизбежному и существенному преобразованию различных сфер деятельности человека и вместе с тем более ускоренному развитию цивилизации.

Работы в области электромагнетизма положили начало крушению механической картины мира. Оценивая этот качественный поворот в миропонимании, А.Эйнштейн и Л.Инфельд[111] писали: «Во второй половине девятнадцатого столетия в физику были введены новые революционные идеи; они открыли путь к новому философскому взгляду, отличающемуся от механического. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца привели к развитию современной физики, к созданию новых понятий, образующих новую картину действительности»[112].

 

 

2.1.3.3. Фундаментальные представления электромагнитной картины мира

Ряд положений МКМ в рамках ЭКМ претерпели изменения.

1) Представления о материи

На смену концепции дискретности, утвердившейся в МКМ, пришла концепция непрерывности (континуальности): если в МКМ материя сводилась к веществу, то создание электродинамики и её развитие в СТО привело к выводу о существовании ещё одного вида материи – поля. Свет также рассматривается как электромагнитный процесс.

2) Представления о движении

Движение материи осуществляется не только в форме механического перемещения частиц, но и в форме распространения электромагнитных волн.

Частицы могут двигаться с любыми скоростями, меньшими с[113], электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью света. Хотя механические утверждения еще живы в эпоху создания ЭКМ, тем не мене утверждение закона сохранения и превращения энергии приводит к постепенному утверждению к мысли о многообразии форм движения материи и их качественном своеобразии.

3) Представление о пространстве и времени

Представления классической механики о пространстве и времени сохраняются на протяжении всего XIX в.

Аналогом ньютоновского абсолютного пространства считается неподвижный эфир. Однако единой гипотезы эфира не существует, и гипотеза неподвижного эфира как аналога абсолютного пространства вступает в противоречие с рядом опытов.

4) Представление о взаимодействии

На смену концепции дальнодействия приходит концепция близкодействия.

Взаимосвязь объектов осуществляется не только посредством тяготения, но и посредством электромагнитного взаимодействия, следовательно, признается существование уже двух фундаментальных взаимодействий.

5) Представление о причинности

Причинность по-прежнему понимается в основном как такая связь состояний, при которой каждое предшествующее состояние однозначно предопределено предыдущим.

Однако в рамках молекулярной физики формируется постепенно иное понимание причинности, а именно – возникает представление о вероятностной причинности.

6) Представление о закономерности

Хотя существование вероятностных, статистических закономерностей уже установлено к концу XIX в., они не нашли ещё достойного места в ЭКМ. Главенствующую роль в этой картине мира играют законы электромагнетизма, и даже возникает попытка объяснить все явления на их основе.

Законы же электромагнетизма являются, как и законы механики, динамическими, т.е. дающими однозначное предсказание последующих состояний. Они позволяют, зная заряды и токи, найти однозначно характеристики поля в любой момент времени в любой точке пространства. Но законы электродинамики не выводимы из механических законов, т.е. абсолютизации законов  механики приходит конец. 

2.1.3.4. Содержание электромагнитной картины мира

Наука о свойствах и закономерностях проявления в различных средах и в вакууме электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.

1) Опытные факты

В рамках МКМ изучались явления, доступные непосредственному восприятию нашими органами чувств: механическое перемещение, теплота, звук и т.п. В ЭКМ впервые исследуются далеко неочевидные явления. Последнее требует более совершенной, чем применяемой в период МКМ, экспериментальной техники.

Решающую роль в разработке теории электричества и магнетизма, на наш взгляд, сыграли следующие пять экспериментов:

· Опыты Кулона (1785 г.), установившие, что сила взаимодействия между двумя электрическими зарядами и между двумя полюсами магнитов обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами или полюсам (закон Кулона) – первый количественный закон этой теории.

· Опыт Эрстеда (1820 г.), положивший начало новой ветви естествознания – учению об электромагнетизме.

Своё открытие Эрстед сделал во время лекции, на которой рассматривал связь между магнетизмом, «гальванизмом»[114] и электричеством. Он заметил, что стрелка компаса, случайно оказавшегося на демонстрационном столе, при прохождении электрического тока по проволоке, отклоняется. Так было открыто магнитное действие тока и сделан крупный шаг в установлении единства электричества и магнетизма.

· Опыты Фарадея (1822-1831 гг.), открывшего явление электромагнитной индукции[115] и сформулировавшего закон электромагнитной индукции (закон Фарадея[116]).

Открыв явление электромагнитной индукции, М.Фарадей показал опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что кроме вещества, в природе существует ещё и поле. Явление электромагнитной индукции нашло многочисленные практические применения.

· Эксперименты Герца (1888 г.), доказавшего существование электромагнитных волн, описавшего их свойства и тем самым, спустя 10 лет после смерти Максвелла, подтвердивших справедливость электродинамики Максвелла.

· Эксперименты П.Н.Лебедева[117], первым подтвердивший на опыте вывод Максвелла о наличии светового давления.

2) Физические величины

Основными физическими величинами, характеризующими электромагнитное поле являются вектор напряжённости  электрического поля; вектор электрической индукции ; вектор магнитной индукции ; вектор напряжённости : магнитного поля

·  Напряжённость электрического поля ‑ векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы , действующей на неподвижный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда q:  =  ( ).

·  Электри́ческая инду́кция (электри́ческое смеще́ние) — векторная величина, равная сумме вектора напряжённости электрического поля и вектора поляризации: = + , (  где  ‑ электрическая постоянная.

· Магни́тная инду́кция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства; определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью ; [B] = Тл.

· Напряжённость магни́тного по́ля — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции и вектора намагниченности :  =  ( ), где  - магнитная постоянная.

3)  Модели

Исторически первая модель электричества – модель электрического флюида, предложенная в середине XVIII в. Б.Франклином, была фальсифицирована через сто лет М.Фарадеем, выдвинувшим идею об электромагнитном поле.

Математическую разработку идей Фарадея осуществил Д.К.Максвелл. Вспомогательному понятию поля Д.Максвелл придал точный физический смысл: «Электромагнитное поле – это часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом и магнитном состоянии».

Теория Максвелла объединила разнообразные электрические, магнитные и оптические явления в единую область электромагнитных явлений. Описание этих явлений с помощью теории Максвелла происходило в принципе так же, как и описание механического движения в механике Ньютона. По заданным начальным и граничным условиям для поля, при определенных значениях зарядов и токов в пространстве в начальный момент времени определялось состояние поля в любой последующий момент времени и в любой точке пространства. При описании взаимодействия между зарядами и токами учитывалась конечная скорость распространения взаимодействия, равная скорости света в вакууме (с=3•10⁸ м/с).

Несмотря на успехи и большой эвристический потенциал, электромагнитная теория Д.Максвелла имела ряд недостатков. Так, в ней использовалась сомнительная гипотеза светоносного эфира[118]. По сути дела, концепция Д.Максвелла отождествляла понятия эфира и электромагнитного поля.

В конце XIX в., после опытов Майкельсона[119] ‑ Морли[120] (1881-1887 гг.)[121], физики отказываются от гипотезы эфира и начинают рассматривать электромагнитное поле как особую форму материи, свойства которой невозможно объяснить механическими закономерностями.

Преодоление противоречий классической электродинамики началось в 1900 г., когда немецкий физик М.Планк выдвинул квантовую гипотезу.

4) Исходные принципы электродинамики

Свойства электромагнитного поля и его взаимодействие с веществом в сжатой форме описываются четырьмя уравнениями Максвелла[122], которые можно считать фундаментальными принципами классической макроскопической электродинамики. Уравнения Максвелла – это общие уравнения для электрических и магнитных полей. В электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике.

Согласно Максвеллу, если переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то возможно и обратное: изменение электрического поля должно вызвать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть электрические заряды и изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться движущимися электрическими зарядами (электрическими токами) и переменными электрическими полями.

Уравнения Максвелла  не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных. Т.о. переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им  электрическим полем, а переменное электрическое поле – с порождаемым им магнитным полем, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электромагнитное поле.

Электромагнитное поле способно существовать независимо от порождающих его зарядов и токов и распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн.

Первое уравнение Максвелла – является обобщением закона электромагнитной индукции Фарадея: rot  =

Физический смысл уравнения: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Второе уравнение Максвелла – обобщение закона полного тока (теоремы о циркуляции вектора : rot  = +  где  – плотность тока проводимости,  - переменное электрическое поле.

Физический смысл уравнения: источником магнитного поля являются токи проводимости и переменное электрическое поле (ток смещения).

Третье уравнение Максвелла – обобщение теоремы Остроградского[123] - Гаусса[124] для электростатического поля: div = , где  =  плотность электрического заряда.

Физический смысл уравнения: источником электрического поля являются электрические заряды.

Четвёртое уравнение Максвелла – обобщение теоремы Остроградского – Гаусса для магнитного поля: div = 0.

Физический смысл уравнения: магнитных зарядов не существует.

5) Следствия

а) Одной из форм существования материи, наряду с веществом, является электромагнитное поле – сплошная среда, заполняющая все пространство. Его силовыми центрами являются электрические заряды. Составляющими электромагнитного поля являются электрическое и магнитное поля.

б) Источником электрического поля являются электрические заряды; магнитного поля – движущиеся электрические заряды (в т.ч. электрический ток), а также переменное электрическое поле (ток смещения). Магнитное поле – поле вихревое. В свою очередь переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

В теории относительности показано, что магнитное поле – релятивистский эффект электрического поля.

 в) Взаимодействие между электрическими зарядами осуществляется по механизму близкодействия.

г) Силовыми характеристиками электромагнитного поля являются взаимосвязанные между собой вектора напряженностей (или индукции) электрической ( ) и магнитной )составляющей.

д) Электромагнитное поле существует в виде электромагнитных волн, обладающих энергией и импульсом. Скорость его распространения зависит от электрических и магнитных свойств среды. В вакууме оно распространяется со скоростью света (рис.2)