9. Теория относительности Галилея-Эйнштейна

Принцип относительности в классической механике

Впервые этот принцип был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Для его понимания нам потребуется ввести понятие тела отсчета, или системы координат. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета. С этим телом связана соответствующая система координат, например знакомая нам декартова система координат. На плоскости движение тела или материальной точки определяется

двумя координатами: абсциссой х, показывающей расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси, и ординатой у, измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси. В пространстве к этим координатам добавляется третья координата

Среди систем отсчета особо выделяют инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Особая роль инерциальных систем заключается в том, что для них выполняется принцип относительности.

Принцип относительности утверждает, что во всех инерциальных системах все механические процессы описываются одинаковым образом, т.е. посредством законов, имеющих ту же самую математическую форму.

Иначе говоря, в таких системах законы движения тел описываются теми же самыми математическими уравнениями или формулами. Как принято говорить в науке, они являются ковариантными, т.е. выражаются той же самой математической формой. Действительно, два разных наблюдателя, находящиеся в инерциальных системах, не заметят в них никаких изменений.

Иллюстрируя этот принцип, Галилей приводил пример равномерного прямолинейного движения корабля. Внутри него все явления происходят так же, как на берегу: мухи продолжают летать, тела падают отвесно, никаких резких толчков не происходит и т.д. Поэтому путь свободного падения тела на инерциально движущемся корабле и на берегу описывается одним и тем же законом или формулой.

Основные принципы специальной теории относительности

1. Всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат.

2. Пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, ибо только совместно они определяют положение движущегося тела. Именно поэтому время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хотя и отличная от пространственных координат.

3. Специальная теория относительности показала, что ковариантность, или одинаковость, формы законов механики для всех инерциаль-ных систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца.

4. При обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике.

Общая теория относительности отказывается от требования рассматривать лишь инерциальные системы отсчета, что соблюдается в специальной теории относительности. Благодаря такому глубокому обобщению общая теория относительности приходит к выводу:

Все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы.

10. Развитие науки в Новое время

Начиная с 14 века, в Европе проходили большие культурные изменения, связанные с развитием науки. В это время появляются новые концепции построения мира.

Николай Коперник 1473 – 1543 гг.

Посвятил жизнь построению и обоснованию гелиоцентрической системы мира. Главный труд – «О вращении небесных сфер» - излагается гелиоцентрическая система мира с математическими доказательствами.

Идеи Коперника полностью поддержал Галилей 1564 – 1642 гг.

• Сделал зрительную трубу и наблюдал планеты

• Опровергал идею Аристотеля о различных движениях

• Положил начало развитию классической механики

• Изобретение закона инерции (первый закон Ньютона)

• Один из основоположников эмпирического естествознания

• Первым сформулировал требования к научному эксперименту (концентрироваться на главном, не отвлекаясь на второстепенное)

Исаак Ньютон 1643 – 1727 гг.

• «Математические начала натуральной философии» (изложил основные законы механики, закон всемирного тяготения, методы исследования)

• Изменение импульса в единицу времени (второй закон)

• Действие – противодействие (третий закон)

• Методы исследования:

1. Не принимать в природе иных причин кроме тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений

2. Одинаковым явлениям надо приписывать одинаковые причины

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутые исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел

4. Законы, индуктивно найденные из опыта надо считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения

• Механистическая картина мира

Переход от натурфилософии к точному экспериментальному исследованию

Изучение тепловых явлений невозможно описать с точки зрения механики – открытие законов термодинамики

В 18 веке теоретически обосновывалась теория теплорода.

Лавуазье и Лаплас

• Термодинамика

• Определили удельные теплоемкости многих твердых и жидких тел

• Доказали, что удельная теплоемкость зависит от температы

• Показали, что природа теплоты не связана с теплородом

Рихман и Ломоносов

• Электричество может быть первичным, возникающим в результате трения и производным, возникающим в проводниках в результате контактов с заряженными телами

• Рихман открыл распределение поля вокруг заряженного тела

Кулон

Закон взаимодействия зарядов

сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Следовательно, сила взаимодействия между электрическими зарядами, как и массами тел в законе Ньютона, убывает с квадратом расстояния. Но уже здесь обнаруживаются различия. Если в законе Ньютона массы могут только притягиваться друг другу, то в законе Кулона разноименно заряженные тела притягиваются, а одноименно заряженные – отталкиваются друг от друга.