Реферат на тему
"Представление о пространстве в классической физике и специальной теории относительности"
Выполнил: Колосов Роман
Руководитель: Глебкин В.В.
Москва 2010 год
Оглавление
Введение
Еще с древних времен человек задавался вопросами: что меня окружает; кто или что управляет окружающим меня миром; по какому закону или правилу построен мир вокруг меня? В течение жизни человечества родилось немало представлений об устройстве мира. Некоторые из них были признаны с успехом, другие отвергнуты.
Я же попытаюсь описать два представления о пространстве, в котором мы живем, в свете двух наиболее влиятельных теорий: классической физики и специальной теории относительности.
Также я попытаюсь рассказать, каким образом ученые дошли до этих двух теорий и, вообще, причине их появления.
Можно, конечно, сказать, что эти две теории и так проходят в школе, но я все же постараюсь объяснить их, не используя формул. А также я хочу изложить суть этих теорий просто, чтоб текст этого реферата был понятен любому человеку, заинтересовавшемся в нем. Еще я хочу сопоставить эти две теории и найти различия в осмыслении пространства Ньютоном и Эйнштейном.
В качестве литературы, из которой я брал материал, я использовал полемику вокруг классической физики. Я считаю, что следует знать мнение об этой теории среди ее современников, но к сожалению не самого Исаака Ньютона. Также я использовал и труды самого автора теории относительности (Альберта Эйнштейна) вместе с его коллегой (Леопольдом Инфельдом). Это имеет огромный плюс, т.к. именно изобретатели дадут лучшее объяснение своих теорий, но, к сожалению, мной не будет использована полемика вокруг этой теории, что является небольшим минусом.
На самом деле, хоть и многое уже открыто, однако ученым много еще предстоит открыть. Но чтобы делать шаги вперед, надо знать предыдущий свой путь. Также чтоб узнать или открыть что-то новое, следует разбираться в старых положениях. Я советую вам ознакомиться с этими двумя теориями, ведь, кто знает, может именно вы приведете науку к новому прорыву в области познания нашего пространства.
1. Представления о пространстве в конце 17-начала 18 века
В борьбе "скрытых качеств" или же первоначальных свойств материи различаются несколько сторон, а именно: перипатетическая, картезианская, и ньютоновская. Как мы знаем, именно ньютоновская вышла победителем, и именно Ньютон написал произведение, называемое "Математические начала натуральной философии", которое определяло развитие не только естественнонаучной, но и философской мысли более двухсот лет.
Но для понимания разногласий надо поближе познакомиться со всеми. В предисловии, написанном Роджером Котсом (современник и последователь Ньютона) ко второму изданию "Начал", автор полностью отрицает физику перипатетиков, "приписывающих разного рода предметам специальные скрытые качества, от которых неизвестно каким должно было происходить … взаимодействие отдельных тел" П.П. Гайденко. История новоевропейской философии в ее связи с наукой. М.: Либроком, 2009 г. Глава шестая. Исаака Ньютоню: Борьба против "скрытых качеств" в естествознании XVII-XVIII вв., о картезианцах же он пишет: " они утверждали, что все вещества во Вселенной однородными, что все различие видов, замечаемые в телах, происходит в некоторых простейших и доступных пониманию свойствах частиц, составляющих тела. Восходя, таким образом, от более простого к более сложному, они были бы правы, если на самом деле приписывали этим первичным частицам лишь те самые свойства, которыми их одарила природа, а не какие-либо иные…Таким образом они предаются фантазиям, пренебрегая истинной сущностью вещей." Главным темой полемики вокруг их идеологии является создание гипотез, обманчивых предположений для объяснений природных явлений. Этим Котс заключает, что они могли создать только иллюзии реальности.
Однако Ньютоновское учение и установилось как основное, оно являлось наипозднейшим и было выведено из других учений. И какие предпосылки вели к появлению этой теории? На этот вопрос можно ответить, рассмотрев мировоззрение Ньютона - создателя этой системы.
Ньютон имел разногласия с системами мира предоставленные ему в его время, недоумевая почему ученые вводили гипотезы основывающеюся только на интуиции, а не экспериментальным путем (это можно увидеть по его знаменитой фразе: " гипотез не измышляю", направленную прежде всего против картезианцев). Он основывает свою научную программу, называемую " экспериментальной физикой", подчеркивая опору его домыслов с помощью экспериментального опыта, далее обобщенным при помощи индукции (от частного к общему).
Именно эта черта его взглядов дала впоследствии ряду историков науки и философии повод считать, что ньютоновская механика по самому своему принципу отличается от механики Декарта, Лейбница и т.д.
Но если вы думаете, что Ньютон вообще не использовал гипотез, то это не так. Ньютон никак не мог дать объяснению природы механистического объяснения силы тяготения, поэтому его оппоненты и требовали исключить эту гипотезу, или как раздать ей объяснение, выводя через опыты. Последователи Ньютона защищали идею тяготения от нападок. Вот характерное рассуждение Котса выступающий против тех, кто считает силу тяготения "скрытым качеством": "Может быть, тяготение следует признать скрытой причиной и исключить из философии потому, что причина самого тяготения не известна и никем не найдена. Кто рассуждает, таким образом, должен позаботиться о том, чтобы не впасть в противоречие, которое рушит основание всей философии" П.П. Гайденко. История новоевропейской философии в ее связи с наукой. М.:Либроком, 2009 г. Глава шестая. Исаака Ньютоню: Борьба против "скрытых качеств" в естествознании XVII-XVIII вв.. Соответственно дать механического объяснения - нельзя, но философское - можно. И оно действительно существует у Ньютона, но он счел не нужным вводить его в свои "Начала", подчеркивая экспериментальный и математический фундамент его "натуральной философии", доказываемое его словами: " гипотез не измышляю".
Создавая научную программу, Ньютон оперировал и основными понятиями, коими являлись: сила, масса, пространство, время. Эти понятия связаны между собой, без любого другого невозможно осмыслить содержание остальных. В этом отношении физика Ньютона не отличается от декартовой, представляя собой строго продуманную систему принципов, однако само содержание этих принципов отличается как от картезианских, так и от атомистических. Если Декарт указывает на такие свойства тела: протяжение, фигура, движение (причем источником движения у Декарта является бог); а атомисты вводят еще и непроницаемость (твердость, считая это главным свойством), то Ньютон использует еще одно - силу, которая становится основным свойством. Сила, которой наделены все тела без исключения, как на Земле, так и в космосе, есть по Ньютону тяготение. "Подобно тому, как нельзя представить себе тело, которое не было бы протяженным, подвижным и непроницаемым, так и нельзя представить себе тело, которое не было бы тяготеющим, т.е. тяжелым" П.П. Гайденко. История новоевропейской философии в ее связи с наукой. М.:Либроком, 2009 г. Глава шестая. Исаака Ньютоню: Борьба против "скрытых качеств" в естествознании XVII-XVIII вв., - рассуждает Роджер Котс. Именно сила тяготения есть та причина, с помощью которой, по убеждению Исаака Ньютона, можно объяснить (а не только описать математически) явления природы, та причина, к которой восходит всякое физическое, механическое, познания природы; но сама же она, как подчеркивает Ньютон и его последователи, в рамках природы объяснена быть не может.
Но обрисовывая систему мира через силу тяготения, Ньютон определяет следующее понятие - масса, говоря, что сила тяжести " … действует не пропорционально величине поверхности частиц, на которое она действует, но пропорционально количеству твердого вещества, причем ее действие распространяется повсюду на огромные расстояния, убывая пропорционально квадратам расстояний" Там же..
Также важным в понимании принципа действия силы тяготения было такое понятие, как инерция. Ведь именно из инерции рождается понимание силы тяготения. Например: из-за разной трактовки инерции Кеплер и Ньютон приходят к разному пониманию силы. Кеплер давал инерции такое определение: "Стремление тела достичь состояния покоя". Соответственно для него любое тело, будь то земное или небесное, нуждалось еще и двигателем, толкающим тело.
Иначе трактуют закон инерции Декарт, а затем и Ньютон.
Декартовый закон инерции гласит: " Каждая вещь пребывает в том состоянии, в каком она находиться, пока ничего ее не изменит; в этом отношении состояние покоя и движения равноправны; и при этом каждая частица стремится продолжать движение не по кривой, а исключительно по прямой".
У Ньютона закон инерции звучит так: " Врожденная сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельное тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает состояние покоя или равномерного прямолинейного движения".
Этот закон объясняет движение по прямой, но как же определить тогда движение по кривой или в частности по окружности? Для объяснения Декарт вводит "вихри", оказывающие механическое препятствие из-за повсеместно заполненной среды, а Ньютон вводит свою силу тяготения, действующая на расстоянии независимо от среды.
Следующим шагом в изучении движения тела служит понимание абсолютного времени и пространства. Первое у Ньютона является всеобщей длительностью, протекающей равномерно, синхронно во всех точках Вселенной. Второе же - абсолютное пространство существовало в его физике как неподвижное, всегда одинаковое пространство, пронизывающее все положения в мире являющемся безотносительным к чему-либо внешнему. И Ньютон также называет движением абсолютным (истинным) только в этой системе, также как и сила может существовать только в этом пространстве.
Но опять встает важный вопрос: "Как же определить абсолютное пространство?" И в ньютоновской системе находится здравый ответ, исходящий из силы тяготения. По закону следует, что тела с наибольшей массой имеют наибольшую притягательную силу. Соответственно тело с наибольшей массой притягивает в большой мере все остальные объекты, а значит, его можно считать неподвижным в абсолютном пространстве и взять как тело отсчета. Таким телом в ньютоновской физике представляется Солнцем.
Исходя из выше перечисленных понятий мы открываем для себя представление целостной, строго продуманной картины мира в свете теории классической физики, взгляды которой, являлись основными на протяжении более 200 лет (с начала 18 века до начала 20 века).
2. Поле
Со времен признания ньютоновской физики прошло уже много лет, и было сделано много открытий. Очень удивительны развитие и эволюция физики на протяжении нескольких сотен лет. Представление о мире перестает осмысливаться только в видимом, ученые начинают понимать, что существует материя, которую мы, возможно, не видим.
В связи с этим появляются новые понятия, а затем и новые теории.
Новые открытия начались с изучения электрического тока и магнита.
До опыта Ганса Христиана Эрстеда Опыт Эрстеда заключался в том, что компас при приближение к проводнику с током меняет направление стрелки. считалось, что магнетизм и электричество никак не связано, но он заметил, что стрелка компаса меняет свое направление рядом с проводами.
Так была обоснована идея о связи электричества с магнетизмом.
А теперь разберем опыт, "который привел к серьезным трудностям в механистическом воззрении. Пусть мы имеем ток, текущий по проводнику, имеющему форму окружности.
В центре этого витка находится магнитная стрелка. В момент возникновения тока появляется новая сила, действующая на магнитный полюс и перпендикулярная к линии, соединяющая проволоку и полюс. Эта сила, вызванная движущимся по окружности зарядом, зависит, как показал опыт Роуланда, от скорости заряда. Эти экспериментальные факты противоречат привычному взгляду, согласно которому все силы должны действовать по линии, соединяющей частицы, и могут зависеть только от расстояния."Работы по теории относительности/ Альберт Эйнштейн;[пер. с нем. и англ.].-СПБ.:Амфора. ТИД Амфора, 2008. С.214.
Точное количественное действие силы представить довольно сложно, но мы можем представить ее действия. Это довольно легко сделать с помощью рисунка или, вернее, пространственной модели с силовыми линиями.
Характер силы, действующий на положительный магнитный полюс можно увидеть на рисунке 50. Стрелки около проволоки показывают направление от высшего потенциала к низшему.
Силовые линии могут дать нам представление как о направлении вектора, характеризующий действие тока на положительный магнитный полюс (для определенности будем считать, что магнитный полюс, является положительным), так и о длине этого вектора. Сила, как мы знаем, является вектором, и, чтобы определить ее, мы должны знать направление вектора и его длину. Главной задачей является - найти направление вектора силы, которая действует на полюс.