Физика. 11 класс

 

После разработки высокоточных методов измерения скорости света, появилась возможность проверить на эксперименте: увеличится ли скорость света, если его источник движется навстречу преемнику света?Уменьшится ли скорость света, если они будут удаляться друг от друга? Иными словами, двигаясь навстречу свету можно увеличить его относительную скорость, а убегая — увеличить? А что же показали эксперименты?

В окружающем нас мире физические процессы всегда происходят в той или иной точке (области) пространства, в тот или иной (промежуток) момент времени. Например, дата и место рождения принадлежат к обязательной информации о каждом человеке. Соответственно, пространство и время относятся к основным, первичным понятиям физики, свойства которых известны из повседневного опыта.

Разнообразные изменения, происходящие с физическими телами, называются явлениями. Для изучения физических явлений используются различные физические величины, характеризующие определенные свойства материи. Однако пространство и время являются «неразлучными спутниками» материи при описании любых физических явлений. Так, например, при механическом движении изменяется положение тел в пространстве с течением времени относительно других тел.

Для однозначного описания различных физических величин в пространстве и времени необходимо связать систему координат с некоторым телом отсчета для определения расстояний, а некоторый момент времени принять в качестве начала отсчета промежутков времени.

Без измерения расстояний между телами и промежутков времени между событиями невозможно установить физические законы, описывающие движение физических тел в пространстве и времени. Для измерения расстояний пользуются масштабами, т.е. измеряемое расстояние сравнивают с размерами некоторого тела, принимаемого за эталон. Для измерения времени пользуются часами, в качестве которых может использоваться любой периодический процесс.

Опыт, накопленный в повседневных наблюдениях и физических экспериментах, показывает, что пространство, в котором мы живем, трехмерно, так как для того чтобы определить положение одного тела в данной системе отсчета, необходимо указать (измерить) три его независимые координаты. Кроме того, пространство обладает свойствами однородности и изотропности. Свойства однородного пространства не меняются при переходе от одной его точки к другой, следовательно, выбирать начало координат в таком пространстве можно произвольно. Свойства изотропного пространства одинаковы по всем направлениям в нем, следовательно, все оси координат в таком пространстве «равноправны», следовательно, их также можно выбирать произвольно.

Таким образом, можно утверждать, что «равноправие» всех трех декартовых координат выбранной системы отсчета является следствием изотропности пространства, а произвольность выбора начала координат — следствием его однородности.

Время также обладает свойством однородности, поскольку данное физическое явление при одинаковых начальных условиях протекает одинаково, независимо от момента времени его начала. Иными словами, падение пушечного ядра с Пизанской башни сегодня будет происходить точно так же, как и во времена Галилея. Определение ускорения свободного падения при выполнении лабораторной работы у вас в физическом кабинете в разные дни недели и в различные годы дает один и тот же результат:

Вследствие свойства однородности пространства время во всех его точках также течет одинаково. Это означает, что часы, помещенные в любую область пространства, будут отсчитывать время с одной и той же скоростью. Таким образом, вследствие однородности пространства и времени любой физический процесс может быть всегда воспроизведен в любой точке пространства при одних и тех же начальных условиях.

Для классической механики характерно представление об абсолютности пространства и времени, т.е. расстояния между телами и промежутки времени не зависят от того, в какой инерциальной системе отсчета (ИСО) они измерены.

В основе классической механики лежат два фундаментальных принципа:

1)  принцип относительности, утверждающий, что при описании механических явлений все инерциальные системы отсчета равноправны;
2)  принцип мгновенности распространения взаимодействий, согласно которому все взаимодействия между телами механической системы передаются мгновенно, с бесконечной скоростью. Вследствие этого, состояние механической системы в какой-либо момент времени полностью определяется значениями координат и скоростей всех частиц системы в тот же момент времени.

Классическая механика основана на законах Ньютона. Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета, в которых свободное тело (не подверженное внешним воздействиям) находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. Практически все известные в физике взаимодействия убывают с увеличением расстояния между взаимодействующими объектами. В силу этого можно считать, что тело, удаленное от других тел на очень большое расстояние, практически не испытывает воздействия с их стороны, т.е. является свободным.

Описание движений, процессов, событий в физике всегда проводят относительно какого-то выбранного тела отсчета. Предполагая, что это тело снабжено необходимыми измерительными приборами, говорят о системе отсчета. Без указания системы отсчета однозначное описание движений, процессов, событий невозможно. По отношению к выбранной системе отсчета производится упорядочение событий по месту и времени.

Важнейшее понятие механики — событие - определяется координатами и моментом времени, в который оно произошло. Событием называется физическое явление, происходящее в данной точке пространства в данный момент времени. Подчеркнем, что понятие является абстракцией, так как реальные физические события всегда имеют некоторую длительность и протяженность. Отметим, что в XVII в. классическая механика считалась логической основой электродинамики, что было вполне естественным результатом понимания ее универсального характера классической механики. Соответственно механические процессы считают состоящими из отдельных событий.

Положение происходящего в пространстве события определяется его координатами, а момент времени события определяется часами, расположенными в том месте, где оно произошло.

В соответствии с принципом относительности Галилея законы механики имеют один и тот же вид в любых ИСО.

Создание специальной теории относительности исторически связано с развитием электродинамики – науки об электрических и магнитных явлениях. За два столетия, которые отделяли физику Галилея и Ньютона от физики Максвелла и Герца, в ней накопилось огромное количество новых научных фактов. В то же время представление о мироздании базировалось на механической картине мира, основанной на механике Галилея – Ньютона (классической механике).

Как известно, в классической механике такие понятия как координата, скорость, траектория тела являются относительными – они изменяются при переходе от одной ИСО к другой. В то же время, некоторые понятия и величины в классической физике считались абсолютными. Например, как само собой разумеющееся, принималось положение об абсолютности времени (ход времени одинаков во всех ИСО) и абсолютности одновременности (события одновременные в некоторой ИСО, одновременны и в любой другой ИСО). Очевидным следствием этих представлений является классический закон сложения скоростей. Согласно этому закону, при переходе к ИСО, которая движется со скоростью  навстречу телу, модуль его скорости тела становится больше на величину, равную V. Это означает, что в механике Галилея – Ньютона не существует максимально возможной (предельной) скорости.

Такие представления согласовывались как с повседневным опытом, так и с результатами экспериментов в механике, акустике, гидродинамике и т.д.

Однако электромагнитные процессы происходят со скоростями, сравнимыми со скоростью света, т.е. гораздо бóльшими, чем скорости движения тел, с которыми имела дело механика. В связи с этим возникают вопросы: будет ли справедлив принцип относительности Галилея (важнейший принцип классической механики) для электромагнитных явлений? Зависит ли скорость света в вакууме от движения источника и (или) приёмника излучения, как это должно быть по классической теории? Существует ли в природе предельная скорость? Для ответа на эти вопросы были необходимы новые эксперименты.

Рассматривая проблему распространения электромагнитных волн (света), полезно обратиться к хорошо изученным закономерностям поведения звуковых волн. Они могут распространяться только в упругой среде — газообразной, жидкой или твердой. Естественно принять в качестве гипотезы, что и для распространения света необходима некоторая среда. Ее назвали мировым эфиром. При таком подходе решающим становится вопрос о скорости света, измеренной наблюдателем, который движется относительно эфира.

Причем эфир должен был обладать такими уникальными свойствами как:

• невидимость и невесомость, поскольку все попытки «взвесить» его были безрезультатными;
• огромная жесткость, так как скорость упругих волн в среде зависит от ее жесткости (упругости). 

Так, если в воздухе модуль скорости звука , то в воде (более упругая среда) —  , в стали —  . Сложно представить себе среду, упругость которой обеспечивала бы распространение света со скоростью, модуль которой  ).

Вернемся к аналогии со звуком. Пусть скорость звука в покоящейся среде равна v_зв . Опыт показывает, что, как и ожидалось, при измерении скорости звука прибором, который движется относительно этой среды со скоростью  навстречу звуку, получается величина, равная v_зв  + V . 

А что получится в случае распространения электромагнитных волн? Зависит ли скорость света от движения лаборатории, в которой приводятся измерения этой скорости?

В качестве такой быстро движущейся лаборатории () было предложено использовать Землю. Если считать, что Земля, обращается вокруг Солнца, движется сквозь неподвижный эфир, то в лаборатории, находящейся на Земле, следует ожидать появления так называемого «эфирного ветра» (подобно тому, как возникает встречный поток воздуха при езде на мотоцикле в безветренную погоду). Как повлияет «эфирный ветер» на скорость света в системе отсчета «Земля»?

В 1887 г. американские физики А. Майкельсон и Р. Морли провели эксперимент, точность измерений в котором была достаточной для обнаружения влияния «эфирного ветра».

Разберем схему их экспериментальной установки, получившей название интерферометр Майкельсона (рис. 167). Он состоял из оптического устройства, расположенного на массивной каменной платформе, плавающей в бассейне с ртутью. Такая конструкция практически исключала влияние механических колебаний платформы на оптические процессы.

Свет от источника  S  с помощью полупрозрачной пластины  П  делился на два взаимно перпендикулярных луча 1 и 2 (см. рис. 167). Лучи отражались от зеркал  М₁ и М₂ , а затем сводились вместе и попадали на детектор  D. В результате сложения этих лучей получалась интерференционная картина (чередующиеся темные и светлые полосы, наблюдавшиеся с помощью детектора).

Ожидалось, что эта картина будет существенно зависеть от ориентации интерферометра по отношению к направлению движения Земли ()  относительно «неподвижного» эфира (см. рис. 167). Действительно, если первый         из пучков направлен вдоль скорости , а второй – перпендикулярно ей, то «эфирный ветер» будет неодинаковым для этих лучей. Соответственно, будут различными и времена прохождения света для лучей 1 и 2  от источника  S до приемника D, т. е. появится дополнительная «разность хода» интерферирующих световых волн.

При повороте платформы на 90º, лучи «менялись местами» и, соответственно, должна была измениться разность хода. Как показывали расчеты, это привело бы к смещению интерференционной картины на 0,4 ширины интерференционной полосы. Однако ожидаемое смещение не было обнаружено, хотя интерферометр Майкельсона позволял наблюдать сдвиг интерференционной картины даже на 0,01 полосы.

Эксперименты повторялись в разное время суток и в разные времена года (т. е. при различных направлениях скорости интерферометра относительно эфира). Однако смещения интерференционной картины так и не было обнаружено. Это было настолько же невероятно, как если при езде на мотоцикле вы не почувствовали бы встречного воздушного потока.

Результаты эксперимента Майкельсона – Морли и многих других экспериментов по измерению скорости света привели к выводу о независимости скорости света в вакууме, как от движения приемника, так и от движения источника излучения. Представления о существовании мирового эфира оказались несостоятельными.

Данный факт был одной из величайших загадок физики конца XIX — начала ХХ века. Обнаружилось явное противоречие между результатами экспериментов и классическими представлениями. Так, при переходе от одной ИСО к другой, согласно классическому закону сложения скоростей, к скорости света должна векторно прибавляться скорость движения этих ИСО друг относительно друга. Однако результаты экспериментов упрямо утверждали, что скорость света в вакууме постоянна и во всех ИСО одинакова!

Эти эксперименты повторялись в разное время суток и различные времена года, но движение Земли относительно эфира не было обнаружено. В настоящее время, благодаря развитию техники, данный эксперимент можно провести в лабораторных условиях (рис. 167-1).

Отрицательный результат опыта Майкельсона — Морли был одной из величайших загадок физики конца XIX — начала ХХ в.

Это был вызов механической картине мира, которая складывалась веками.

Выдающиеся ученые того времени (А. Пуанкаре, Г. А. Лоренц и др.) выдвинули целый ряд полезных идей для объяснения этого противоречия. Однако решающий шаг был сделан в 1905г. 25-летним физиком Альбертом Эйнштейном, работавшим тогда техническим экспертом Федерального патентного бюро в Берне (Швейцария). Им была выдвинута новая теория пространства и времени, получившая название специальная теория относительности. Эта революционная теория позволила не только объяснить результат эксперимента Майкельсона — Морли, но и положила начало новому этапу развития физики

В 1907г. Альберт  Майкельсон получил Нобелевскую премию по физике за создание точных оптических инструментов, и спектроскопические и метрологические исследования, выполненные с их помощью.