Класична механіка Ньютона зіграла і грає до сих пір величезну роль у розвитку природознавства. Вона пояснює безліч фізичних явищ і процесів у земних і позаземних умовах, становить основу для багатьох технічних досягнень протягом тривалого часу. На її фундаменті формувалися багато методи наукових досліджень в різних галузях природознавства. Багато в чому вона визначала мислення і світогляд. Аж до початку XX ст. в науці панувало механістичний світогляд, фізична сутність якого полягає в тому, що всі явища природи можна пояснити рухами частинок та тіл. Прикладом великого успіху механістичного уявлення фізичних процесів можна вважати розробку молекулярно-кінетичної теорії речовини, що дозволила зрозуміти теплові процеси.
В основі класичної механіки лежить концепція Ньютона, визначила обличчя природознавства аж до XX ст. Сутність концепції Ньютона найбільш коротко і чітко висловив Ейнштейн: "Згідно ньютонівської системі, фізична реальність характеризується поняттями простору, часу, матеріальної точки і сили (взаємодії матеріальних точок). У ньютонівської концепції під фізичними подіями слід розуміти рух матеріальних точок у просторі, кероване незмінними законами ".
Згідно сучасним уявленням, класична механіка має свою область застосування: її закони виконуються для відносно повільних рухів тіл, швидкість яких багато менше швидкості світла. У той же час практика показує: класична механіка - безумовно справжня теорія і такою залишиться, поки буде існувати наука. Разом з нею залишаться і ті загальні та абстрактні "класичні" образи природи - простір, час, маса, сила і т.д., які лежать в її основі. Принаймні, ці образи зберігаються в сучасній фізиці і в усьому природознавстві, тільки вони стали чіткіше і об'ємніше.
Принцип причинності і лапласовскій детермінізм.
Виникло філософське вчення - механістичний детермінізм, класичним представником якого був П'єр Симон Лаплас (1749-1827), французький математик, фізик і філософ. Лапласовскій детермінізм висловлює ідею абсолютного детермінізму - впевненість у тому, що все, що відбувається має причину в людському понятті і є непізнана розумом необхідність. Суть його можна зрозуміти з висловлення Лапласа:
"Сучасні події мають з подіями попередніми зв'язок, засновану на очевидному принципі, що ніякої предмет не може почати бути без причини, яка його зробила ... Воля, як завгодно вільна, не може без певного мотиву породити дії, навіть такі, які вважаються нейтральними ... Ми повинні розглядати сучасний стан Всесвіту як результат її попереднього стану і причину подальшого ".
Подальший розвиток фізики показало, що в природі можуть відбуватися процеси, причину яких важко визначити. Наприклад, процес радіоактивного розпаду відбувається випадково. Подібні процеси відбуваються об'єктивно випадково, а не тому, що ми не можемо вказати їх причину через нестачу наших знань. І наука при цьому не перестала розвиватися, а збагатилася новими законами, принципами та концепціями, які показують обмеженість класичного принципу лапласовского детермінізму.
Становлення спеціальної теорії відносності
До кінця XIX сторіччя в науці переважала теорія абсолютно нерухомого у світовому просторі ефіру. Ця теорія надалі була розвинена нідерландським фізиком X. Лоренцем і з тих пір носить його ім'я, хоча насправді вона виникла значно раніше. Однак до цього, в 1851 р. французьким фізиком Фізо був проведений експеримент, який показав, що світло частково захоплюється рухомим середовищем.
Пізніше, в 1877 р. у 8 томі Британської енциклопедії з'явилася стаття Максвелла, в якій зверталася увага на можливість виявлення ефірного вітру (ether drifto) на поверхні Землі, що рухається по орбіті навколо Сонця зі швидкістю близько 30 км / с.
А. Майкельсона побудував в 1880 р. лабораторний хрестоподібний інтерферометр з довжиною оптичного шляху до 1,2 м і, на його подив, не отримав очікуваного зсуву. Зсув було хаотичним і вельми малим. Прилад виявив високу чутливість до всякого роду вібрацій. Тому Майкель-сон з допомогою професора Морлі в 1886 р. побудував другий інтерферометр з довжиною оптичного шляху в 11 метрів і в ньому було вжито заходів проти чутливості до вібрацій: прилад був поміщений на поплавок, який плавав на ртуті.
Однак і на цей раз зміщення інтерференційних смуг було в сто разів менше очікуваного, що відповідало відносної швидкості ефірного вітру на поверхні Землі не в 30 км / с, а всього лише в 3 км / с, що ніяк не було пояснено.
Експерименти були продовжені Морлі і Міллером на Клівлендський висотах (висота над рівнем моря 250 м) і в 1904 - 1905 рр.. були отримані стійкі дані по величині ефірного вітру в 3-3,5 км / с, що знову не відповідало яку очікували значенням в 30 км / с. На цьому роботи були тимчасово відкладені і продовжені тільки в 1921 році Міллером в обсерваторії Маунт Вілсон на висоті близько 1800 м, де їм разом з помічниками до 1925 р. була проведена величезна робота й не тільки отримані стійкі дані по швидкості ефірного вітру, рівної цього висоті близько 10 км / с, але і визначено загальне його напрямок. Виявилося, що ефірний вітер омиває Землю не в площині екліптики, як очікувалося, а в напрямку, майже перпендикулярному до нього, з боку зірки «Дзета» сузір'я Дракона, розташованої під кутом 26 градусів до Полярної зірки. Але все це сталося вже після того, як Ейнштейном в 1905 р. була опублікована його відома стаття «До електродинаміки рухомих тіл».
Основні положення СТО
Ейнштейном введено не два, як про це зазвичай пишуть, а п'ять постулатів, і найголовнішим з них є постулат про відсутність у природі ефіру. У наступних статтях, особливо у статті «Принцип відносності та його наслідки» (1910) Ейнштейн стверджує, що «не можна створити задовільну теорію, не відмовившись від існування якоїсь середовища, яке заповнює весь простір».
Другим постулатом є згаданий вище «принцип одночасності», безпосередньо зв'язав факт одночасності подій зі швидкістю світла.
Третім постулатом є так званий принцип відносності, який говорить, що всі процеси в системі, що знаходиться в рівномірному і прямолінійному русі, відбуваються за тими ж законами, що і в спочиваючої системі. Цей принцип щодо механічних систем був висунутий ще Галілеєм, але Ейнштейн його поширив взагалі на будь-які фізичні явища, в тому числі і на електромагнітні. Цей постулат був би неможливий, якби ефір існував: довелося б розглядати процеси, пов'язані з рухом тіл відносно ефіру. А раз ефіру немає, то і розглядати нічого.
Четвертим постулатом є принцип сталості швидкості світла і незалежності швидкості світла від швидкості руху джерела. Цей постулат можна було б використовувати, якщо б було твердо встановлено, що світло є хвильовим рухом, оскільки будь-яка хвиля має постійну швидкість щодо середовища, а не відносно джерела її створив. Але структура фотона не була встановлена, і тому таке припущення є деякою натяжкою.
І, нарешті, п'яте постулатом є інваріантність інтервалу, що складається з чотирьох складових - трьох просторових координат і часу, помноженого на все ту ж швидкість світла:
ds2 = dх2 + dy2 + dz2 - c2dt2 = const.
Максимальна швидкість передачі взаємодій.
До початку XX століття ніхто не сумнівався, що час абсолютно. Дві події, одночасні для жителів Землі, одночасні для жителів будь космічної цивілізації. Створення теорії відносності показало, що це не так.
Причиною неспроможності класичних уявлень про простір і час є неправильне припущення про можливість миттєвої передачі взаємодій і сигналів з однієї точки простору в іншу. Існування граничної кінцевої швидкості передачі взаємодій вибуває необхідність глибокого вимірювання звичайних уявлень про простір і час, підставах на повсякденному досвіді. Подання про абсолютний час, що тече раз і назавжди заданим темпом, абсолютно незалежно від матерії і її руху, виявляється неправильним.
Якщо допустити миттєве поширення сигналів, то твердження, що події у двох просторово розділених точках сталися одночасно, буде мати абсолютний сенс. Можна помістити в точки А і В годинник і синхронізувати їх з допомогою миттєвих сигналів. Якщо такий сигнал відправлений з А, наприклад, в О год 45 хв і він в цей же момент часу щогодини У прийшов в точку В, то, значить, годинник показує однаковий час, тобто йде синхронно. Якщо ж такого збігу немає, то годинник можна синхронізувати, підвівши вперед ті години, які показують менший час у момент відправлення сигналу.
Будь-які події, наприклад два удари блискавки, одночасні, якщо вони відбуваються при однакових показаннях синхронізованих годин.
Для синхронізації годин природно вдатися до світлових або взагалі електромагнітним сигналам, так як швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі є строго визначеною, постійною величиною.
Саме цей спосіб використовують для перевірки годинника по радіо. Сигнали часу дозволяють синхронізувати ваш годинник з точними еталонними годинами. Знаючи відстань від радіостанції до будинку, можна обчислити поправку на запізнення сигналу. Ця поправка, звичайно, дуже невелика. У повсякденному житті вона не відіграє скільки-небудь помітної ролі. Але при величезних космічних відстанях вона може виявитися дуже істотною.
Два будь-яких події в точках А і В, одночасні в системі Ki, неодночасно в системі К, але в силу принципу відносності системи Ki і До абсолютно рівноправні. Жодної з цих систем не можна віддати перевагу. Тому ми змушені прийти до висновку, що одночасність просторово розділених подій відносна. Причиною відносності одночасності є, як ми бачимо, кінцівку швидкості поширення сигналів.
Одночасність подій відносна. Уявити собі це наочно, «відчути», ми не в змозі через те, що швидкість світла багато більше тих швидкостей, з якими рухаємося ми.
З принципу відносності одночасності випливає принцип кінцівки передачі взаємодій - максимальної швидкості, яку можна додати тілу, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі.
Єдиний простір-час.
Для кількісного опису руху сформувалися уявлення про простір і час, які за тривалий період розвитку природознавства зазнали істотних змін.
У фізиці рух розглядається у найзагальнішому вигляді як зміна стану або іншої фізичної системи, і для опису стану вводиться набір параметрів, до яких з часів Декарта відносяться просторово-часові координати, або точки просторово-часового континууму, що означає безперервне безліч. У фізиці використовуються і інші параметри стану систем: імпульс, енергія, температура, спін і т. п.
У строгому визначенні час висловлює порядок зміни фізичних станів і є об'єктивною характеристикою будь-якого фізичного процесу або явища; воно універсальне. Говорити про час безвідносно до змін у будь-яких реальних тілах або системах - з фізичної точки зору безглуздо.
У процесі розвитку фізики з появою спеціальної теорії відносності виникло твердження: абсолютна час не має фізичного сенсу, воно - лише ідеальне математичне представлення, бо в природі немає такого реального фізичного процесу, придатного для вимірювання абсолютного часу.
По-перше, протягом часу залежить від швидкості руху системи відліку. При досить великій швидкості, близької до швидкості світла, час уповільнюється, тобто виникає релятивістське уповільнення часу. По-друге, поле тяжіння приводить до гравітаційного уповільнення часу. Можна говорити тільки про локальний часу в деякій системі відліку. У зв'язку з цим час не є сутність, яка не залежить від матерії. Тече вона з різною швидкістю в різних фізичних умовах. Час завжди відносна.
Важлива особливість часу виражена в постулаті часу: однакові у всіх відносинах явища відбуваються за однаковий час. Хоча цей постулат здається природним і очевидним, його істинність відносна, так як його не можна перевірити на досвіді навіть за допомогою найдосконаліших, але реальних годин, оскільки: 1) вони все ж не ідеальні і характеризуються своєю мірою точності; 2) немає абсолютної впевненості в можливості створення абсолютно однакових умов в природі в різний час. Разом з тим тривала практика природничих досліджень дозволяє нам не сумніватися в справедливості даного постулату в межах певної точності, яка може бути як завгодно високою.
Концепція простору, як і концепція часу, пройшла тривалий шлях становлення і розвитку. Перше уявлення про простір виникло з очевидного існування в природі і в першу чергу в мікросвіті твердих фізичних тіл, що займають певний об'єм. З такого подання випливало визначення: простір виражає порядок співіснування фізичних тіл. Перша закінчена теорія простору - геометрія Евкліда. Вона була створена приблизно 2000 років тому і до цих пір вважається зразком наукової теорії. Геометрія Евкліда оперує ідеальними математичними об'єктами, які існують як би поза часом, і в цьому сенсі простору в цій геометрії - ідеальне математичне простір. Аж до середини XIX ст., Коли були створені неевклидова геометрії, ніхто з дослідників природи не сумнівався в тотожності реального фізичного і Евклідова просторів.
За аналогією з абсолютним часом Ньютон ввів поняття абсолютного простору, який може бути абсолютно порожнім і існує незалежно від наявності в ньому фізичних тіл, будучи як би світової сферою, де розігруються фізичні процеси. Властивості такого простору визначаються Евклідової геометрією. Таке уявлення про простір і до цих пір лежить в основі багатьох експериментів, що дозволили зробити великі відкриття.
Спеціальна теорія відносності об'єднала простір і час в єдиний континуум простір-час. Підставою для такого об'єднання став і постулат про граничну швидкості передачі взаємодій матеріальних тіл - швидкості світла, що дорівнює в вакуумі приблизно 300 000 км / с, і принцип відносності. З даної теорії випливає відносність одночасності двох подій, що відбулися в різних точках простору, а також відносність вимірювань довжин та інтервалів часу, вироблених в різних системах відліку, що рухаються відносно один одного. Все це означає, що для реального світу простір і час має не абсолютний, а відносний характер.
При підготовці цієї роботи були використані матеріали з сайту http://www.studentu.ru