Развитие представлений о пространстве и времени в естествознании

  Уравнения Максвелла и концепция абсолютно неподвижного эфира.  К середине XIX века классическая механика Ньютона достигла больших успехов в объяснении многих физических явлений и решении многих практических инженерных задач. Когда открывались новые физические явления, их природу старались прежде всего объяснить на основе законов механики, т.е. все многообразие окружающего мира старались объяснить с позиций механики. Это направление получило название механицизма. Механика Ньютона явилась теоретическим обобщением большого количества экспериментальных фактов, связанных с движением тел со скоростями много меньшими скорости света в вакууме. Напомним основные положения, на которых базируется классическая механика.

1. Существует абсолютное, т.е. независимое от материальных тел и процессов, пространство, обладающее евклидовой геометрией и имеющее три измерения.

2. Независимо от пространства существует равномерно текущее время, также носящее абсолютный характер.

3. Пространство связано со временем через уравнения движения.

4. Размеры тел и длительность событий во всех системах отсчета одинаковы.

5. Принцип дальнодействия – взаимодействие между телами распространяется с бесконечно большой скоростью.

6. Одним из важнейших принципов ньютоновской механики является принцип инерции, который часто связывают с именем Галилея: существуют системы отсчета, в которых свободное тело (т.е. тело, на которое не действуют другие тела или поля) движется равномерно и прямолинейно или покоится (этот принцип называют также первым законом Ньютона). Такие системы отсчета называются инерциальными. Инерциальных систем отсчета (ИСО) существует бесконечное множество: любая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной, сама является инерциальной. Все инерциальные системы отсчета равноправны. В соответствии с принципом относительности Галилея, не существует абсолютно неподвижной ИСО, т.е. любую ИСО можно рассматривать как неподвижную, так и движущуюся с какой-то скоростью относительно другой ИСО.

Рассмотрим две инерциальные системы отсчета: К (с координатами x, y, z) и К׳ (с координатами x׳, y׳, z׳), которая движется относительно К вдоль оси х  со скоростью v = const (рис.2.3.1). Одноименные оси координат систем К и К׳ параллельны друг другу. В начальный момент времени t =t׳ = 0 начала координат совпадают. Пусть положение материальной точки в системе К в момент времени  t определяется радиус-вектором r(t), а положение этой же точки в системе К′ в тот же момент времени t′=t описывается радиус–вектором r′(t′), который связан с r(t) соотношением

                             r′(t′)= r(t) – Vt,                                (2.3.1)

причем

                                      t′=t.                                                 (2.3.2)

Соотношения (2.3.1) и (2.3.2) называются преобразованиями Галилея. С помощью преобразований Галилея осуществляется переход от одной ИСО к другой ИСО.

7.Закон сложения скоростей в классической механике

                                  V = V^׳'+ V_0,                            (2.3.3)

где V – скорость движения материальной точки в покоящейся системе отсчета, V₀ –скорость движения второй системы относительно первой, V^{׳' –} скорость материальной точкиотносительнодвижущейся системы отсчета.

8. Принцип относительности Галилея утверждает, что законы механики инвариантны относительно преобразований Галилея. Это означает, что если в уравнениях, отражающих какие-либо законы механики, заменить r(t) и tна r′(t) и t′ = t, то вид уравнений не должен измениться.

Утверждения 1 – 8 соответствовали совокупности экспериментальных данных, имеющихся в то время.

Рис. 2.3.1. Инерциальные системы отсчета К и К'

Созданная Ньютоном концепция абсолютного пространства и абсолютного времени безраздельно господствовала в науке вплоть до конца XIX века. Ее ограниченность стала выясняться лишь в связи с развитием представлений об электромагнетизме. Чтобы понять, как происходил переход к современным пространственно-временным представлениям, рассмотрим хронологию событий, которые привели к становлению специальной теории относительности (СТО).

Развитие оптики и электродинамики в конце XIX века привели к попыткам распространить законы механики и на эти области физики. Попытки эти привели к неудачам. Оказалось, что уравнения Максвелла, лежащие в основе электродинамики, описывающие электромагнитное поле и опирающиеся на прочный фундамент известных к тому времени законов электричества и магнетизма, оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея. Это было воспринято как несоответствие принципу относительности Галилея, а, следовательно, как серьезное возражение против самой теории. Однако эксперименты Г.Герца с электромагнитными волнами подтвердили большинство выводов теории Максвелла, после чего ее достоверность стала считаться установленной. В результате на какое-то время под сомнением оказался принцип относительности Галилея, который первоначально был получен для механических явлений. Это выразилось в появлении концепции абсолютного эфира.

В соответствии с этой концепцией, средой, в которой распространяются электромагнитные волны, служит абсолютно неподвижный  эфир, заполняющий все мировое пространство. Полагали, что уравнения Максвелла справедливы в системе отсчета, покоящейся относительно мирового эфира. Раз эфир представлял собой некоторую среду, были сделаны попытки обнаружить движение тел, например источников света, по отношению к этой среде. Обнаружение движения тел относительно эфира привело бы к созданию абсолютной системы координат, по отношению к которой можно было бы рассматривать движение всех других систем. Другими словами, с неподвижным эфиром можно связать абсолютно неподвижную систему отсчета. Тогда скорость света в какой-либо системе отсчета, движущейся относительно эфира (например, в системе отсчета, связанной с Землей), должна зависеть от того, в каком направлении распространяется свет. В 1887 г. Майкельсон и Морли поставили опыты, в которых пытались обнаружить движение Земли относительно эфира, так называемый «эфирный ветер». В этих опытах «эфирный ветер» обнаружить не удалось, что противоречило гипотезе неподвижного эфира. Эксперименты показали, что скорость света одинакова во всех направлениях и не зависит от движения источника света. Пытаясь преодолеть это противоречие, предположили, что эфир частично или полностью «увлекается» движущимися телами, но в этом случае должно было бы иметь место взаимодействие («трение») между эфиром и движущимися телами, приводящее к торможению тел. Это предположение не подтвердилось в опытах Физо. Кроме того, чтобы согласовать свойства эфира с поперечностью электромагнитных волн, нужно было считать эфир «твердым телом», которое, в то же время, не оказывает никакого влияния на движение других тел. Эти противоречия привели в конце концов к отказу от теории эфира. Исчерпывающее непротиворечивое объяснение всех опытных фактов, в том числе и результатов опытов Майкельсона и Морли, было дано А.Эйнштейном в созданной им в 1905 г. специальной теории относительности.