Правило определения направления силы для такой модели не так просто, как в предыдущем примере, где линии сил были прямыми. Для более простого понимания на рисунке № 51, нарисована только одна силовая линия. Силовой вектор лежит на касательной к силовой линии, как указано на рисунке. Стрелка силового вектора совпадает по направлению со стрелками на силовых линиях. Следовательно, это - направление, в котором сила действует на магнитный полюс в данной точке. Также этот рисунок может дать понять и другую вещь - длина вектора силы в любой точке. Этот вектор длиннее там, где линии расположены более плотно(вблизи проводника), и короче там, где линии расположены менее плотно (вдали от проводника).
Таким способом, другими словами поле позволяет нам определить силы, действующие на магнитный полюс в любой точке пространства.. Все наши знания мы можем суммарно выразить в его построении. Пока что ведение понятия поля дает более простое представление о действующих силах.
Таким образом, было выяснено, что электрическое поле воздействует на магнитное.
Теперь рассмотрим два предмета, с первого взгляда различающихся, соленоид и магнит.
Соленоид и магнит изображены на рисунках № 52 и 53. Наша цель - изучить строение поля этих объектов. У соленоида силовые линии замкнуты, они окружают соленоид. Поле, образуемое магнитным стержнем, может быть представлено таким же путем, как и поле тока соленоида, только в этом случая магнит, а не ток является источником поля.
Эти рисунки следует сравнить друг с другом. Рассмотрим только внешние поля, создаваемые соленоидом и магнитным стержнем. Сразу заметно, что они имеют абсолютно одинаковый характер; силовые линии направлены из начала в конец у обоих предметов.
Понятие поля теперь может быть подвержено более серьезному испытанию. Представим, что только поле характеризует все действия определяемые его источником. Это означало бы, что действия соленоида, по которому течет ток, и магнитного стержня имели одинаковый характер. Эксперимент полностью подтверждает это умозаключение!
Поле можно рассматривать как нечто всегда связанное с током. Оно существует, даже сели отсутствует магнитный полюс, с помощью которого можно обнаружить его наличие.
Последуем за этой мыслью.
Представим, что в пространстве покоится заряженная частица. Между этим зарядом и магнитным полюсом нет взаимодействия, иначе говоря, электростатическое поле не влияет на магнитостатическое. Но вот заряженная частица начала двигаться. Исходя из опыта Роуланда, движение заряженной частицы равносильно току. А ток сопровождается магнитным полем. Таким образом, цепь выводов такова:
В заключении:
Изменение электрического поля, произведенное движением заряда, всегда сопровождается магнитным полем.
Можно сказать больше. Магнитное поле будет тем сильнее, чем больше заряд и его скорость.
Далее следует принять во внимание второй опыт. Опыт Фарадея, открывающий для нас индукционные токи.
Индукционный ток- это ток, возникающий при движении магнитного стержня около соленоида.
Благодаря теории поля мы сразу же понимаем, что вместо магнитного стержня можно взять другой соленоид с текущим током. Но более существенно само возникновение индукционного тока. Ведь наличие тока подразумевает движение заряда, а движение заряда подразумевает наличие электрического поля.
Цепь выводов такова:
Изменяющееся магнитное поле сопровождается электрическим полем.
Итак, есть две мысли, которые важны для понимания противоречия.
Теперь рассмотрим действие сущность этих фраз. Изменяющиеся магнитное поле порождает изменение электрического поля, а электрическое поле порождает изменение магнитного поля, но и второе магнитное поле будет порождать изменение электрического поля. Таким образом, можно прийти к мысли о незамкнутости этих действий. Так как поле несет энергию, все эти изменения, распространяющейся в пространстве с определенной скоростью, образуют волну. Эта волна называется электромагнитной волной.
Количественная и математическая формулировка поля дана в так называемых уравнениях Максвелла. Открытие этих уравнений является самым важным событием со времени Ньютона не только вследствие ценности содержания, но и потому, что они дают образец нового типа законов.
Уравнения Максвелла также дают возможность определять состояние электромагнитного поля, позволяют предвидеть, что случиться в немного дальше пространстве и немного позднее во времени, если мы знаем, что происходит здесь и сейчас.
Но с какой же скоростью распространяются электромагнитные волны?
Уравнения Максвелла дают ясный ответ: Скорость электромагнитных волн равна скорости света.
Именно эту мысль Эйнштейн считал одним из самых важных достижений в истории науки. Сам факт, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света, говорит об их связи с оптическими явлениями.
И благодаря многим явлениям (в частности дифракцией света) мы можем предположить что, световая волна есть электромагнитная волна. Одни и те же уравнения Максвелла описывают и электромагнитную индукцию, и оптическую рефракцию (преломление света).
3. Инерциальные системы
Теперь, достигнув этой стадии, следует разобрать начало физики - закон инерции Галилея. Вот как он звучит: Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием действующих сил.
Очень важным для определения инерции является выбор системы отсчета. Так как все законы механики исходят из закона инерции, то должна существовать система отсчета, в которой он справедлив. В нашем случая это Земля, но она вращается, что не соответствует закону инерции, однако центростремительное ускорение мало, из-за чего отклонения практически незаметны. Если же мы будем считать, к примеру, поворачивающий поезд за систему отсчета, то в нем будут происходить странные вещи по взгляду закона инерции (падать чемоданы, опрокинутся стулья и т.д.).
Как определение сказанного может быть выражен принцип относительности Галилея:
"Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно или равномерно относительно первой".
Такие системы называются инерциальными.
Но справедлив этот принцип для немеханических явлений, особенно тех, для которых понятия поля оказались важны?
Мы знаем, что скорость света в вакууме или же в эфире примерно равно 300 000 км/с.
Эфир есть всюду проникающая среда, в которой распространяются электромагнитные волны. Эфир был введен для объяснения оптических явлений.
Теперь проведем идеализированный опыт. Пусть у нас есть движущиеся комната или же поезд. Нам известно, что звуковая волна будет зависеть от скорости ветра. Например, если кто-то крикнет, то в сторону ветра скорость звука быстрее, а в обратную медленней. Ветер это среда, которой распространяются звуковые волны. Выясним, происходит ли то же самое для света с эфиром, улавливает ли поезд или комната за собой эфир.
Если же эфир увлекается движением комнаты, то для скорости света допустимы механические преобразования. Свет, попадающий к нам в глаза, имел бы большую скорость, если бы источник приближался к нам, и меньшую, если источник удалялся от нас. Но нет никаких оснований утверждать, что эти выводы верны. В реальности, хоть и косвенные эксперименты вследствие больших технических трудностей, вызванных огромной скоростью света, говорят обратное. Следовательно, наш вывод таков:
Скорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо от того, движется ли излучающий источник или нет, и независимо от того, как он движется.
Скорость света не зависит от скорости источника света.
Это говорит о том, что движущееся тело не увлекает за собой эфир, следовательно, можно говорить о вечно покоящемся эфирном море. Но вскоре после о высказывании мысли об эфире был сделан знаменитый опыт Майкельсона-Морли, отрицающий существование постоянно покоящегося эфирного моря. Это породило противоречие в теории эфира, что привело к краху этой теории в общем. Тогда нам придется отказаться употреблять это слово, говоря: наше пространство обладает физическим свойством передавать волны.
Но это не избавляет нас от противоречивости. Соберем все известные факты, не заботясь о проблеме эфира.
1. Скорость света в пустом пространстве всегда постоянна независимо от движения источника или приемника света.
2. Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно или равномерно относительно первой. Но нет никакого способа обнаружить абсолютное пространство.
3. Координаты и скорости преобразуются от одной инерциальной системы к другой согласно классическому преобразованию.
Но наше противоречие очевидно. Мы пытались изменить первые два принципа, что привело нас к несогласию с экспериментом. Тогда остается единственный путь - отказаться от третьего принципа. Нам надо будет переосмыслить все фундаментальные понятия и изменить все наши все наши старые взгляды, чтобы устранить все наши трудности.
4. Время. Пространство. Относительность
Итак, мы оперируем двумя положениями:
1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
2. Все законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
Теорию, которая состоит из этих двух положений, мы будем называть теория относительности.
Теперь опять вернемся к опыту с движущейся комнатой. Если скорость света одинакова, то свет, со стороны внешнего наблюдателя, в отличие от внутреннего, будет доходить до одной стенки комнаты быстрее, чем до другой. Другими словами, эти два события неодновременные. Вследствие можно понять, что два события, одновременные в одной системе координат, могут быть не одновременны в другой системе координат.
Для лучшего понимания, о чем идет речь, представим идеализированный опыт. Есть 2 стержня, на которых поставлены часы. Эти часы синхронизированы. Стержни двигаются с разной скоростью по прямой. Если рассматривать разные системы отсчета, то ритм этих часов будет меняться. Примерно как на рисунке 63.
Еще один пример. Возьмем один метровый стержень. Чтоб измерить его длину, мы вычитаем координату конца из координаты начала. Когда стержень покоится, мы запросто определяем его длину как 1 метр. Но если стержень начнет двигаться вдоль оси Х, то нам придется, для определения координат, фотографировать начало и конец стержня. Учитывая систему координат связанную с нами, мы также будет определять его длину как 1 метр, ведь фотография конца и начала будут сделаны в один и тот же момент. Но нам известно, что в разных инерциальных системах движущихся с разной скоростью время течет по-разному, по этому в системе связанной со стержнем снимки будут сделаны в другое время и его координаты будут определены не правильно, поэтому его длина будет изменяться. При этом его длина будут изменяться в сторону движения (как показано на рисунках 64 и 65).
Но теория относительности говорит даже больше. Она связывает понятие массы и энергии. Масса это есть качество тела, определяющее его инертность. Инертность же есть мера тела сопротивляться внешней силе. По теории относительности, чем ближе тело к скорости света, тем тяжелее ему придать большую скорость. А при достижении скорости света, скорость увеличить больше нельзя. Этим показывается увеличение инертности в зависимости от скорости, а также и массы, как единственной физ. Величиной, определяющей инертность тела.
Этот результат приводит к дальнейшему важному выводу. Покоящееся тело имеет массу покоя, но не имеет кинетической энергии. Движущееся тело имеет и массу, и кинетическую энергию. При увеличении скорости увеличивается масса и кинетическая скорость. Кажется, что кинетическая энергия как будто увеличивает сопротивление кинетической энергии.
Теория относительности дает нам понять, что любая энергия сопротивляется изменению движения.
В классической физике были два закона сохранения энергии и массы, но в теории относительности два закона объединяются и образуют закон сохранения массы-энергии.
То есть в теории относительности масса обладает энергией, а масса представляет собой энергию.
Когда происходит какое-то событие, то мы определяем его с помощью координат в определенной системе координат (континууме). В нашем мире каждой точке соответствуют три координаты пространства, иначе говоря, наше пространство есть трехмерный континуум. Так представлялось пространство в классической физике, беря во внимание еще одномерный континуум, составляющий временную координату времени.