Электромагнитная картина мира.

 

Электромагнитная картина мира складывалась в результате развития представлений об электрическом и магнитном полях.

Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой. Силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов подчиняются основному закону электростатического взаимодействия, который был экспериментально установлен Ш.Кулоном (1785 г.) с помощью крутильных весов. Поэтому силы электростатического взаимодействия называют кулоновскими силами.

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

Математическое выражение закона:

F = k , где

k- коэффициент пропорциональности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единицы длины. Его значение зависит от выбора системы единиц.

q1,q2 – величина зарядов, Кл

r – расстояние между зарядами, м.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда: В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. Если заряды частиц обозначить через q₁, q₂, и т.д., то

 

q₁ + q₂ + q₃ + …+q_n = const

 

Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т.е. для замкнутой системы.

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам. Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях сумма зарядов остается одной и той же. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.

Основным законом, описывающим силу упорядоченно движущихся заряженных частиц (электрический ток) является закон Ома, согласно которому для участка цепи сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Взаимодействие между электрическими токами осуществляется посредством магнитного поля. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. Сила, с которой магнитное поле действует на отрезок проводника, определяется по закону Ампера, а на движущуюся заряженную частицу магнитное поле действует с силой Лоренца.

В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпал вопрос о построении механической модели эфира, несовпадении механических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма.

Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл. При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. В 60-х годах XIX в. Д. К. Максвелл, основываясь на идеях Фарадея об электрическом и магнитном полях, обобщил законы, установленные экспериментальным путем, и разработал законченную теорию единого электромагнитного поля. Теория Максвелла была обобщением важнейших законов электростатики и электромагнетизма. В ней решается основная задача электродинамики: найти характеристики электромагнитного поля заданной системы электрических зарядов и токов. Теория Максвелла явилась величайшим вкладом в развитие классической физики. Основные положения теории Максвелла изложены в разделе физики Электродинамика. Она позволила с единой точки зрения охватить огромный круг явлений, начиная от электростатического поля неподвижных зарядов и кончая электромагнитной природой света. Максвелл доказал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Эта теория нашла подтверждения при изучении таких явлений света как интерференция и дифракция.

Интерференция световых волн – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Интерференция света доказывает, что свет при распространении обнаруживает волновые свойства.

Отклонение от прямолинейного распространения волн, огибание волнами препятствий называется дифракцией. Опыты Юнга подтвердили, что свет способен к дифракции, что также доказывает волновую теорию света.

Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Движение понималось не только как простое механическое перемещение, первичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики. Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени не подходила к полевым представлениям. Поскольку поле является абсолютно непрерывной материей, пустого пространства просто нет. Так же и время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи сущностями. Понимание пространства и времени как абсолютных уступило место реляционной (относительной) концепции пространства и времени.

Новая картина мира требовала нового решения проблемы взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия: любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

Хотя законы электродинамики, как и законы классической механики, однозначно предопределяли события, и случайность все еще пытались исключить из физической картины мира, создание кинетической теории газов ввело в теорию, а затем и в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов.

Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени.

Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития.

Именно так появилась общая теория относительности (ОТО), ставшая последней крупной теорией, созданной в рамках электромагнитной картины мира. В этой теории, созданной в 1916 г., Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения, для чего ввел понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс.

Специальная теория относительности (СТО) созданная в 1905 г., объединила пространство и время в единый континуум пространство-время. Основанием для такого объединения послужили принцип относительности и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел – скорости света, равной в вакууме 300 000 км/с. отсюда следует относительность одновременности двух событий, происходящих в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. В основе СТО лежат постулаты Эйнштейна:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2). принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости света или наблюдателя во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат обобщает принцип относительности Галилея, который означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. СТО часто называется релятивистской теорией.

Из постулатов теории относительности вытекает ряд важнейших следствий, касающихся свойств пространства и времени.

Расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета.

 

l = l_o

где l_о – длина тела в системе отчета, относительно которой оно покоится

l – длина стержня в системе отсчета, относительно которой оно движется со скоростью v

 

Пусть интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы К, равен τ_о. Тогда интервал τ между этими же событиями в системе отсчета К₁, движущейся относительно системы К со скоростью v, равен:

 

τ =

 

При увеличении скорости тела его масса не остается постоянной, она тоже увеличивается:

 

m =

 

m_o – масса покоящегося тела

v – скорость движения тела

 

С помощью теории относительности Эйнштейн установил замечательную по своей простоте и общности формулу связи между энергией и массой:

 

E = mc² =