Поперечна хвиля- хвиля, що розповсюджується в напрямку, перпендикулярному до площини, в якій відбуваються коливання частинок середовища (у разі пружної хвилі) або в якій лежать вектори електричного та магнітного поля (для електромагнітної хвилі).

До поперечних хвиль відносять, наприклад, хвилі в струнах або пружних мембранах, коли зміщення частинок в них відбуваються строго перпендикулярно напрямку поширення хвиль, а також однорідні плоскі електромагнітні хвилі в ізотропному діелектрику або магнетиці; у цьому випадку поперечні коливання здійснюють вектори електричного та магнітного полів.

Поперечна хвиля має поляризацію, тобто. вектор її амплітуди певним чином орієнтований у поперечній площині. Зокрема, розрізняють лінійну, кругову та еліптичну поляризації залежно від форми кривої, яку описує кінець вектора амплітуди. Поняття поперечної хвилі так само, як і поздовжньої хвилі, певною мірою умовно і пов'язане зі способом її опису. "Поперечність" і "подовжність" хвилі визначаються тим, які величини реально спостерігаються. Так, плоска електромагнітна хвиля може описуватися поздовжнім герцем вектором. У ряді випадків поділ хвиль на поздовжні та поперечні взагалі втрачає сенс. Так, у гармонійній хвиліна поверхні глибокої води частинки середовища здійснюють кругові рухи у вертикальній площині, що проходить через вектор хвильової , тобто. коливання частинок мають як поздовжню, і поперечну складові.

В 1809 французький інженер Е. Малюс відкрив закон, названий його ім'ям. У дослідах Малюса світло послідовно пропускалося через дві однакові платівки з турмаліну (прозоре кристалічна речовиназеленого забарвлення). Платівки могли повертатися одна щодо одної на кут φ

Інтенсивність минулого світла виявилася прямо пропорційною cos2 φ:

Явление Брюстера використовується до створення поляризаторів світла, а явище повного внутрішнього відбиття – для просторової локалізації світлової хвилі всередині оптичного волокна. Показник заломлення матеріалу оптичного волокна перевищує показник заломлення довкілля(повітря), тому світловий промінь всередині волокна відчуває поверхні розділу волокно – середовище повне внутрішнє відбиток і може вийти межі волокна. За допомогою оптичного волокна можна послати промінь світла з однієї точки простору в іншу довільною криволінійною траєкторією.

В даний час створені технології виготовлення кварцових волокон діаметром, які практично не мають внутрішніх та зовнішніх дефектів, а їх міцність не менша за міцність сталі. При цьому вдалося знизити втрати електромагнітного випромінювання у волокні до величини менше, а також суттєво зменшити дисперсію. Це дозволило 1988г. ввести в експлуатацію волоконно-оптичну лінію зв'язку, що з'єднала по дну Атлантичного океануАмерику із Європою. Сучасні ВОЛЗ здатні забезпечити швидкість передачі згори .

При велику інтенсивність електромагнітної хвилі оптичні характеристики середовища, включаючи показник заломлення, перестають бути постійними і стають функціями електромагнітного випромінювання. Принцип суперпозиції для електромагнітних полів перестає виконуватися, і середовище називається нелінійною. У класичної фізикидля опису нелінійних оптичних ефектів використовується модель ангармонічного осцилятора. У цій моделі потенційну енергію атомного електроназаписують у вигляді ряду за ступенями усунення x електрона щодо його положення рівноваги

Сьогодні на уроці ми познайомимося із явищем поляризації світла. Вивчимо властивості поляризованого світла. Познайомимося з експериментальним підтвердженням поперечності світлових хвиль.

Явища інтерференції і дифракції не залишають сумнівів у тому, що світло, що поширюється, має властивості хвиль. Але яких хвиль – поздовжніх чи поперечних?

Довгий час засновники хвильової оптики Юнг і Френель вважали світлові хвилі поздовжніми, тобто подібними до звукових хвиль. Тоді світлові хвилі розглядалися як пружні хвилі в ефірі, що заповнює простір і проникає всередину всіх тіл. Такі хвилі, здавалося, було неможливо бути поперечними, оскільки поперечні хвилі можуть бути лише у твердому тілі. Але як можуть тіла рухатись у твердому ефірі, не зустрічаючи опору? Адже ефір не повинен перешкоджати руху тіл. Інакше не виконувався б закон інерції.

Проте поступово набиралося дедалі більше експериментальних фактів, які не вдавалося витлумачити, вважаючи світлові хвилі поздовжніми.

Досліди з турмаліном

А зараз, розглянемо докладно лише один із експериментів, дуже простий та винятково ефектний. Це досвід із кристалами турмаліну (прозорими кристалами зеленого забарвлення).

Якщо нормально направити на таку пластину пучок світла від електричної лампи або сонця, то обертання пластини навколо пучка ніякої зміни інтенсивності світла, що пройшло через неї, не викличе (рис.1.). Можна подумати, що світло тільки частково поглинулося в турмаліні і набуло зеленого забарвлення. Більше нічого не сталося. Але це не так. Світлова хвиля набула нових властивостей.

Ці нові властивості виявляються, якщо пучок змусити пройти через другий такий самий кристал турмаліну (рис.2(а)), паралельний першому. При однаково спрямованих осях кристалів знову нічого цікавого немає: просто світловий пучок ще більше послаблюється з допомогою поглинання у другому кристалі. Але якщо другий кристал обертати, залишаючи перший нерухомим, то виявиться дивовижне явище- гасіння світла. У міру збільшення кута між осями інтенсивність світла зменшується. І коли осі перпендикулярні одна одній, світло не проходить зовсім. Він повністю поглинається другим кристалом.

Світлова хвиля з коливаннями за всіма напрямками, перпендикулярним до напряму поширення, називається природною.

Світло, в якому напрями коливань світлового вектора якимось чином упорядковані, називається поляризованим.

Поляризація світла- це одна з фундаментальних властивостей оптичного випромінювання (світла), що полягає в нерівноправності різних напрямків у площині, перпендикулярній світловому променю(Напрямок поширення світлової хвилі).

Поляризатори- прилади, що дають можливість отримати поляризоване світло.

Аналізатори- прилади за допомогою яких можна проаналізувати, чи є світло поляризованим чи ні.

Схема дії поляризатора та аналізатора

Поперечність світлових хвиль

З описаних вище дослідів випливає два факти:

по перше, Що світлова хвиля, що йде від джерела світла, повністю симетрична щодо напряму поширення (при обертанні кристала навколо променя в першому досвіді інтенсивність не змінювалася).

по-друге, що хвиля, що вийшла з першого кристала, не має осьовий симетрією(залежно від повороту другого кристала щодо променя виходить та чи інша інтенсивність світла).

Інтенсивність світла, що вийшов із першого поляризатора:

Інтенсивність світла минулого поляризатора:

Інтенсивність світла, що пройшло через два поляризатори:

Зробимо висновок: 1. Світло – поперечна хвиля. Але в падаючому від звичайного джерела пучку хвиль присутні коливання різноманітних напрямків, перпендикулярних до напряму поширення хвиль.

2. Кристал турмаліну має здатність пропускати світлові хвилі з коливаннями, що лежать в одній певній площині..

Модель лінійної поляризації світлової хвилі

Поляроїди

Не лише кристали турмаліну здатні поляризувати світло. Такою ж властивістю, наприклад, мають так звані поляроїди. Поляроїдє тонкою (0.1 мм) плівкою кристалів герапатиту, нанесеною на целулоїд або скляну пластинку. З поляроїдом можна зробити ті ж досліди, що і з кристалом турмаліну. Перевага поляроїдів у тому, що можна створювати великі поверхні, що поляризують світло.

До недоліків поляроїдів відноситься фіолетовий відтінок, яким вони надають білого світла.

Хоча явище інтерференції навряд чи припускає якусь іншу інтерпретацію, окрім як на основі віл нової теорії, загальне визнання цієї теорії зустрілося з двома труднощами, які, як ми бачили, Ньютон вважав вирішальними аргументами проти неї: по-перше, прямолінійне поширення світла в загальному випадкуі, по-друге, природу явища поляризації. Перша труднощі була подолана в рамках самої хвильової теорії, коли вона досягла достатнього розвитку: було встановлено; що хвилі «огинають кути», але у областях порядку довжини хвилі. Оскільки останні у разі світла надзвичайно малі, то неозброєному оку видається, що тіні мають різкі межі, а промені обмежені прямими лініями. Лише дуже точні спостереження дозволяють помітити інтерференційні смуги дифрагуючого світла, паралельні межам тіні.

Честь створення теорії дифракції належить Френелю, пізніше - Кірхгофу (1882), а надалі - Зоммерфельду (1895). Вони математично проаналізували ці тонкі явища і визначили межі, в яких застосовується поняття променя світла.

Друга складність пов'язані з явищами, зумовленими поляризацією світла. Вище, говорячи про хвилі, ми завжди мали на увазі поздовжні хвилі, подібні до відомих звукових хвиль. Справді, звукова хвиля складається з періодичних ущільнень і розріджень, у яких окремі частинки повітря рухаються взад-вперед у напрямі поширення хвилі.

Поперечні хвилі, звичайно, теж були відомі: прикладом можуть бути хвилі на поверхні води або коливання розтягнутої струни, в яких частинки коливаються під прямим кутом до напрямку поширення хвилі. Але в цих випадках ми маємо справу не з хвилями всередині речовини, а з явищами на поверхні (хвилі на воді), або з рухами цілих конфігурацій (коливання струни). Ні спостереження, ні теорія поширення хвиль у пружних твердих тілахще були тоді відомі. Цим пояснюється здається нам дивним факт, Що визнання оптичних хвиль як поперечних коливань зажадало настільки багато часу. Справді примітно, що поштовхом до розвитку механіки твердих пружних тіл послужили досліди та концепції, пов'язані з динамікою невагомого та невловимого ефіру.

Вище (стор. 91) ми пояснили, у чому природа поляризації. Два промені, що виходять із двоякозаломлюючого кристала ісландського шпату, поводяться при проходженні через другий такий кристал не як промені звичайного світла; саме замість пари однаково інтенсивних променів вони дають два промені нерівної інтенсивності, один з яких за певних умов може навіть повністю зникати.

У звичайному, «природному» світлі різні напрямкиу площині хвилі, тобто у площині, перпендикулярній до напрямку променя, рівноправні, або еквівалентні (фіг. 62). У промені ж поляризованого світла, наприклад, у одному з променів, що виходять при подвійному заломленні в кристалі ісландського шпату, це вже не так. Малюс виявив (1808), що поляризація - це особливість, властива не тільки променям світла, що зазнало подвійне заломлення в кристалі; цю властивість можна отримати і при простому відображенні. Він дивився крізь пластинку з кристала ісландського шпату на сонце, що відбивалося у вікні. Повертаючи свій кристал, він зауважив, що інтенсивність двох зображень сонця змінюється. Цього не відбувається, якщо дивитися крізь такий кристал безпосередньо на сонці. Брюстер (1815 р.) показав, що світло, відбите від скляної пластинки під певним кутом, відбивається від другої такої пластинки різною мірою, якщо останню повертати навколо падаючого променя (фіг. 63). Площина, перпендикулярна поверхні дзеркала, в якій лежать падаючі та відбиті промені, називається площиною падіння.

Фіг. 62. У промені природного світлажоден напрямок, перпендикулярний площині поширення, не краще іншого.

Говорячи, що відбитий промінь поляризований у площині падіння, мають на увазі не більше, ніж той факт, що такий промінь поводиться по-різному по відношенню до другого дзеркала залежно від того, в якому положенні відносно один одного знаходяться перша площина падіння і друга. Такі властивості корпускулярна теорія не може пояснити, оскільки частинки світла, що падають на скляну пластинку, повинні проникати в пластинку, або відбиватися.

Два промені, що виходять із кристала ісландського шпату, поляризовані в перпендикулярних один одному напрямках. Якщо направити їх під відповідним кутом на дзеркало, то один з них не відображатиметься зовсім, тоді як інший відображатиметься повністю.

Френель і Араго виконали вирішальний експеримент (1816), зробивши спробу отримати інтерференційну картину від двох таких променів, поляризованих перпендикулярно один одному. Їхня спроба виявилася безуспішною. Звідси Френель і Юнг (1817 р.) зробили остаточний висновок, що світлові коливання мають бути поперечними.

Фіг. 63. До досвіду з поляризації. Якщо повертати першу чи другу пластинку навколо падаючого променя як осі, інтенсивність відбитого променя змінюється.

По суті цей висновок відразу робить зрозумілим незвичайна поведінкаполяризованого світла. Коливання частинок ефіру здійснюються над напрямі поширення хвилі, а площині, перпендикулярної цьому напрямку, - у площині хвилі (фіг. 62). Але будь-який рух точки в площині можна розглядати як складається з двох рухів у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Розглядаючи кінематику точки (див. гл. II, § 3), ми бачили, що її рух визначається єдиним чином завданням її прямокутних координат, що змінюються залежно від часу. Далі очевидно, що двоякозаломлюючий кристал має здатність пропускати світлові коливання з двома різними швидкостями у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Звідси, згідно з принципом Гюйгенса, випливає, що коли такі коливання проникають у кристал, вони зазнають різних відхилень або заломлюються по-різному, тобто поділяються в просторі. Кожен промінь, що виходить з кристала, складається, таким чином, лише з коливань у певній площині, що проходить через напрямок променя, причому площини,

відповідні кожному з двох променів, що виходять, взаємно перпендикулярні (фіг. 64). Два таких коливання, очевидно, не можуть впливати один на одного – вони не можуть інтерферувати. Тепер, якщо поляризований промінь знову потрапляє у другий кристал, він пропускається без ослаблення лише тому випадку, коли напрям його коливань має правильну орієнтацію щодо кристала - таку, у якій це коливання може поширюватися без перешкод.

Фіг. 64. Два промені, отримані в результаті подвійного заломлення, поляризовані перпендикулярно один до одного.

Фіг. 65. Відображення променя, що падає поверхню під кутом Брюстера. При певному куті падіння відбитий промінь виявляється поляризованим. Він несе вагання, що відбуваються лише в одному напрямку.

У всіх інших положеннях промінь розщеплюється на два і інтенсивність двох результуючих променів змінюється в залежності від орієнтації другого кристала.

Аналогічні умови мають місце і за відображенні. Якщо відбиття відбувається під відповідним кутом, то з двох коливань, одне з яких паралельно, а інше перпендикулярно до площини падіння, відбитим виявляється лише одне; інше проникає в дзеркало, поглинаючись у разі металевого дзеркала або проходячи наскрізь у разі скляної пластинки (фіг. 65). Яке з двох коливань – перпендикулярне

або паралельне площиніпадіння - виявляється відбитим, звісно, ​​неможливо встановити. (На фіг. 65 передбачається, що здійснюється другий варіант.) Однак це питання про орієнтацію коливань щодо площини падіння або про напрям поляризації, як ми зараз побачимо, дало початок ряду глибоких досліджень, теорій та дискусій.

Нові поняття виникли у зв'язку з вивченням електричних явищале простіше ввести їх вперше через механіку. Ми знаємо, що дві частинки притягують одна одну і що сила їхнього тяжіння зменшується з квадратом відстані., поміщене кудись по сусідству із Сонцем, притягатиметься до Сонця, причому сила тяжіння буде спрямована по лінії, що з'єднує центри обох тіл. Таким чином, лінії на нашому малюнку вказують напрямок сили тяжіння Сонця для різних положень пробного тіла. Стрілки кожної лінії показують, що сила спрямовано Сонцю; це означає, що дана силає сила тяжіння. Це силові лінії поля тяжіння.Поки що це лише назва, і немає підстав зупинятися на ньому докладніше. Наш малюнок має одну характерну рису, яку ми розглянемо пізніше.Силові лінії побудовані у просторі, де немає жодної речовини. Поки що всі силові лінії, коротше кажучи,

поле , показують лише, як поводитиметься пробне тіло, вміщене поблизу сферичного тіла, котрим побудовано поле.Лінії у нашій просторової моделізавжди перпендикулярні поверхні сфери. Оскільки вони розходяться з однієї точки, вони щільніше розташовані поблизу сфери і дедалі більше розходяться друг від друга при віддаленні від неї. Якщо ми збільшуємо відстань від сфери в два чи три рази, то щільність ліній у просторовій моделі (але не на нашому малюнку!) буде вчетверо чи в дев'ять разів меншою. Таким чином, лінії служать двом цілям. З одного боку, вони показують напрямок сил, що діють на тіло, поміщене по сусідству зі сферою - Сонцем; з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цеуявлення про поле Як ми назвемо його, може здаватися ясним і цікавим, але немає підстав думати, що введення його означає будь-який реальний прогрес.залежить тільки від відстані; час не входить до розгляду. На передачу сили від одного тіла до іншого не потрібно часу. Але оскільки рух з нескінченною швидкістю нічого не говорить будь-якій розумній людині, остільки спроба зробити наш малюнок чимось би з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цебільшим, ніж модель, ні до чого не призводить. Але ми не маємо наміру обговорювати зараз проблему тяжіння. Вона послужила нам лише запровадженням, що спрощує пояснення аналогічних методів міркування теоретично електрики.

Ми почнемо з обговорення експерименту, який призвів до серйозних труднощів у механістичній думці. Нехай ми маємо струм, що тече по провіднику, що має форму кола. У центрі цього витка знаходиться магнітна стрілка. У момент виникнення струму з'являється нова сила, що діє на магнітний полюсі перпендикулярна до лінії, що з'єднує дріт та полюс. Ця сила, викликана зарядом, що рухається по колу, залежить, як показав досвід Роуланда, від швидкості заряду. Ці експериментальні факти суперечать звичному погляду, за яким усі сили повинні діяти по лінії, що з'єднує частинки, і можуть залежати тільки від відстані.

Точне вираз для сили, з якою струм діє магнітний полюс, дуже складно; насправді, воно набагато складніше висловлюваннясил тяжіння. Але ми можемо постаратися уявити її дії так само чітко, як це робили у разі сили тяжіння. Наше питання таке: з якою силою діє струм на магнітний полюс, вміщений десь поблизу провідника, яким йде струм?

Характер сили, що діє на позитивний магнітний полюс, можна побачити на рис. 50. Стрілки біля дроту показують напрямок струму від вищого потенціалу до нижчого.

Всі інші лінії – силові лінії поля цього струму, що лежать у певній площині. Якщо малюнок зроблено належним чином, ці лінії можуть дати нам уявлення як про напрям вектора, що характеризує дію струму на позитивний магнітний полюс, так і про довжину цього вектора. Сила, як ми знаємо, є вектором, і, щоб визначити її, ми повинні знати напрямок вектора та його довжину. Нас цікавить головним чином питання спрямованості сили, що діє на полюс. Наше питання таке: як ми можемо знайти, виходячи з малюнка, напрям сили в будь-якій точці простору?

Правило визначення спрямування сили для такої моделі не так просто, як у попередньому прикладі, де лінії сил були прямими. Щоб полегшити міркування, на наступному малюнку (рис. 51) намальовано лише одну силову лінію. Силовий вектор лежить на дотичній силовій лінії, як зазначено на малюнку. Стрілка силового вектора збігається у напрямку зі стрілками на силових лініях.

Отже, це напрям, у якому сила діє магнітний полюс у цій точці. Хороший малюнок або, вірніше, хороша модель говорить нам дещо також про довжину силового вектора в будь-якій точці. Цей вектор повинен бути довшим там, де лінії розташовані щільніше, тобто поблизу провідника, і коротше там, де лінії розташовані менш щільно, тобто далеко від провідника. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. ЦеУ такий спосіб силові лінії або, іншими словами, поле дозволяє нам визначити сили, що діють на магнітний полюс у будь-якій точці простору. Поки що це єдине виправдання для ретельної побудови поля. Знаючи, що

виражає поле, ми розглянемо з більш глибоким інтересом силові лінії, пов'язані зі струмом. Ці лінії суть кола; вони оточують провідник і лежать у площині, перпендикулярній площині, в якій розташована петля зі струмом. магнітним полем; інакше кажучи, на магнітний полюс, поміщений поблизу провідника, яким тече струм, завжди діє деяка сила. Зауважимо мимохідь, що ця властивість струму дозволяє нам побудувати чутливий прилад для виявлення струму. Навчившись одного разу розпізнавати характер магнітних сил з моделі поля, пов'язаного зі струмом, ми завжди малюватимемо поле, що оточує провідник, яким тече струм, щоб уявити дію магнітних сил у будь-якій точці простору.

Як перший приклад ми розглянемо так званий соленоїд.

Він є спіраль з дроту, як це показано на рис. 52. Наше завдання - вивчити за допомогою досвіду все, що можна знати про магнітне поле, пов'язане зі струмом, що тече по соленоїду, і об'єднати ці знання у побудові поля. Малюнок представляє нам результат. Скривлені силові лінії замкнуті;вони оточують соленоїд, характеризуючи магнітне поле струму.

Поле, яке утворюється магнітним стрижнем, може бути представлене таким же шляхом, як і поле струму. Мал. 53 показує це. Силові лінії спрямовані від позитивного до негативного полюса.

Поняття поля тепер може бути піддане набагато серйознішому випробуванню. Незабаром ми побачимо, чи є воно більше, ніж нове уявлення діючих сил. Ми могли б сказати: припустимо на хвилину, що поле, і тільки воно, характеризує однаково всі дії, що визначаються його джерелом. Це лише припущення.Воно означало б, якщо соленоїд і магніт мають однакове поле, то й усі їхні дії повинні бути також однаковими. Воно означало б, що два соленоїди, якими тече електричний струм, поводяться подібно до двох магнітних стрижнів; що вони притягують або відштовхують один одного залежно від їхнього взаємного становища так само, як це має місце і у випадку магнітних стрижнів. Воно означало б також, що соленоїд і стрижень притягують і відштовхують один одного так само, як і два стрижні. Коротше кажучи, воно означало б, що всі дії соленоїда, яким тече струм, і дії відповідного магнітного стрижня є однаковими, оскільки істотно одне лише поле, а поле в обох випадках має

однаковий характер

. Експеримент повністю підтверджує наше припущення!

Як важко було передбачити ці факти без поняття поля! Вираз для сили, що діє між провідником, яким тече струм, і магнітним полюсом, дуже складно. У випадку двох соленоїдів ми повинні були б дослідити сили, з якими обидва струми діють одна на одну. Але якщо ми робимо це за допомогою поля, ми відразу ж визначаємо характер усіх цих дій, як тільки виявляється схожість між полем соленоїда та полем магнітного стрижня.

Перший успіх опису з допомогою поля показав, що може бути зручним до розгляду всіх дій струмів, магнітів і зарядів, т. е. розгляду не безпосереднього, а з допомогою поля як перекладача. Поле можна розглядати як завжди пов'язане зі струмом. Воно існує навіть якщо відсутній магнітний полюс, за допомогою якого можна виявити його наявність. Постараємося послідовно йти за цією новою дороговказом.

Поле зарядженого провідника може бути введене майже так само, як і поле тяжіння або поле струму або магніту. Візьмемо знову найпростіший приклад. Щоб намалювати поле позитивно зарядженої сфери, ми повинні поставити запитання: які сили діють на маленьке позитивно заряджене пробне тіло, поміщене поблизу джерела поля, тобто поблизу зарядженої сфери? Той факт, що ми беремо позитивно, а не заряджене негативно пробне тіло, є простою угодою, яка визначає, в якому напрямку повинні бути намальовані стрілки силових ліній. Ця модель (рис. 54) аналогічна моделі поля тяжіння з подібності законів Кулона і Ньютона. Єдина відмінність між обома моделями полягає в тому, що стрілки розташовані в протилежних напрямках. Справді, двапозитивних заряду

відштовхуються, а дві маси притягуються. Однак поле сфери з негативним зарядом (рис. 55) буде ідентичне полю тяжіння, оскільки маленький позитивний заряд пробний буде притягуватися джерелом поля. Якщо і електричний заряд, і магнітний полюс перебувають у спокої, між ними немає жодної взаємодії - ні тяжіння, ні відштовхування.Висловлюючи подібний факт мовою поля, ми можемо сказати: електростатичне поле не впливає на магнітостатичне, і навпаки. Слова «статичне поле» означають, що йдеться про поле, що не змінюється з часом. Магніти та заряди могли б вічно залишатися один біля одного, якби ніяка зовнішня сила не порушувала їхнього стану.

Повернемося до електричної сфери, яка досі була у спокої, і припустимо, що вона почала рухатися завдяки дії деякої зовнішньої сили.

Заряджена сфера рухається. Мовою поля цей вираз означає: поле електричного заряду змінюється з часом. Але рух цієї зарядженої сфери еквівалентний струму, як ми вже знаємо це з досвіду Роуланда.

Далі кожен струм супроводжується магнітним полем. Таким чином, ланцюг наших висновків такий:

Рух заряду → Зміна електричного поля

Струм → Магнітне поле, пов'язане зі струмом. Тому ми укладаємо:Зміна

електричного поля

, Вироблене рухом заряду, завжди супроводжується магнітним полем.

Наше висновок ґрунтується на досвіді Ерстеда, але воно містить у собі щось більше.

Воно містить визнання того, що зв'язок електричного поля, що змінюється з часом, з магнітним полем дуже суттєвий для подальших висновків.

Оскільки заряд залишається у спокої, існує лише електростатичне поле. Але як тільки заряд починає рухатися, виникає магнітне поле. Ми можемо сказати більше. Магнітне поле, викликане рухом заряду, буде тим сильнішим, чим більший заряд і чим швидше він рухається. Це теж висновок із досвіду Роуланда. Використовуючи знову мову поля, ми можемо сказати: чим швидше змінюється електричне поле, тим сильніше магнітне поле, що його супроводжує. Ми постараємося тут перекласти відомі вже нам факти з мови рідинної теорії, розвиненої відповідно до старих механістичних поглядів, новою мовою поля. Пізніше ми побачимо, як ясна, повчальна і всеосяжна наша нова мова.Відносність та механіка

Теорія відносності з необхідністю виникає з серйозних та глибоких протиріч у старої теорії, вона повинна охопити усі фізичні закони. Труднощі, мабуть, з'являються тут. Закони поля, з одного боку, і закони механіки - з іншого, мають різний характер. Рівняння електромагнітного поля інваріантні стосовно перетворенням Лоренца, а рівняння механіки інваріантні стосовно класичних перетворень. Але теорія відносності вимагає, щоб усі закони природи були інваріантні стосовно лоренцевим, а чи не класичним перетворенням. Останні лише спеціальним, граничним випадком перетворень Лоренца, коли відносні швидкості обох систем координат дуже малі.Якщо це так, то класичну механіку слід змінити, щоб узгодити її з вимогою інваріантності щодо перетворення Лоренца.

Або, іншими словами, класична механіка не може бути справедливою, якщо швидкості наближаються до швидкості світла. Перехід від однієї системи координат до іншої може здійснюватись тільки

єдиним шляхом - Через перетворення Лоренца.Класичну механіку неважко було змінити так, щоб вона не суперечила ні теорії відносності, ні достатку матеріалу, отриманого спостереженням та поясненого класичною механікою.

Стара механіка справедлива для малих швидкостей та утворює граничний випадок нової механіки. Цікаво розглянути якийсь приклад зміни вкласичної механіки

Чи правильно це становище з погляду теорії відносності? Ні в якому разі! Цей закон справедливий лише для малих швидкостей. Який же, за теорією відносності, закон для великих швидкостей, що наближаються до швидкості світла? Якщо швидкість велика, то потрібна надзвичайно велика сила, щоб збільшити її. Зовсім не одне й те саме - чи збільшити на один метр усекунду швидкість , рівну приблизно 100 м/с, або швидкість, що наближається до світловий.Чим ближче швидкістьдо швидкості світла, тим складніше її збільшити. Коли швидкість дорівнює швидкості світла, то вже неможливо збільшити її далі. Таким чином, те нове, що вносить теорія відносності, не дивно. Швидкість світла єверхня межа

для всіх швидкостей. Ніяка кінцева сила, якою б великою вона не була, не може викликати збільшення швидкості понад цю межу. На місці старого закону механіки, що зв'язує силу та зміну швидкості, з'являється складніший закон. З нашоюнової точки зору класична механіка простіше тому, що майже у всіх спостереженнях ми маємо справу зі швидкостями, значно меншими, ніж швидкість світла.Тіло, що покоїться, має певну масу, так звану

масу спокою.

Ми дійсно знаходимо у природі снаряди, що рухаються з такими швидкостями. Атоми радіоактивної речовини, наприклад радію, діють подібно до батареї, яка стріляє снарядами, що рухаються з величезними швидкостями. Не входячи в деталі, ми можемо вказати лише на один із найважливіших поглядів сучасної фізики та хімії. Вся речовина у світі побудована з елементарних частинок, кількість різновидів яких невелика. Подібно до цього в одному місті будівлі різні за величиною, конструкцією та архітектурою, але на будівництво всіх їх, від хатини до хмарочоса, використано цеглу лише дуже небагатьох сортів, однакових у всіх будинках. Так, усі відомі хімічні елементи нашого матеріального світу – від найлегшого водню до найважчого урану – побудовані з однакового роду цегли, тобто однакового роду елементарних частинок. Найбільш важкі елементи - найбільш складні побудови - нестійкі, і вони розпадаються, або, як говоримо, вони радіоактивні. Деякі цеглини, тобто.елементарні частки

, З яких складаються радіоактивні атоми, викидаються іноді з дуже великими швидкостями, близькими до швидкості світла. Атом елемента, скажімо радію, згідно з нашими сучасними поглядами, що підтверджується численними експериментами, має складну структуру, і радіоактивний розпад є одним з тих явищ, в яких виявляється, що атом побудований з простіших цеглин - елементарних частинок.

Цей результат призводить до подальшого важливого узагальнення. Тіло, що покоїться, має масу, але не має кінетичної енергії, тобто енергії руху.

Тіло, що рухається, має і масу, і кінетичну енергію. Воно пручається зміні швидкості сильніше, ніж тіло, що покоїться. Здається, що кінетична енергія тіла, що рухається, ніби збільшує його опір. Якщо два тіла мають однакову масу спокою, то тіло з більшою кінетичною енергією чинить опір дії зовнішньої сили сильніше. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. ЦеУявімо собі ящик, наповнений кулями; нехай ящик і кулі спочивають у нашій системі координат. Щоб привести його в рух, щоб збільшити швидкість, потрібна деяка сила.

Але чи буде ця сила виробляти те саме збільшення швидкості за той самий проміжок часу, якщо кулі в ящику будуть швидко рухатися по всіх напрямках, подібно до молекул у газі, із середніми швидкостями, близькими до швидкості світла? Тепер необхідна буде б більша сила, тому що зросла кінетична енергія куль посилює опір ящика.Енергія, принаймні кінетична енергія, чинить опір руху так само, як і вагома маса. Чи це справедливо і щодо всіх видів енергії?

Теорія відносності, виходячи зі своїх основних положень, дає ясну і переконливу відповідь на це запитання, відповідь знов-таки кількісного характеру: будь-яка енергія чинить опір зміні руху; всяка енергія поводиться подібно до речовини; шматок заліза важить більше, коли він розпечений до червона, ніж коли він холодний; випромінювання, що випромінюється Сонцем і проходить через простір, містить енергію і тому має масу; Сонце та всевиявився дуже плідним у подальший розвитокфізики.

Як це сталося, що той факт, що енергія має масу, а маса є енергією, так довго залишався невідомим? Чи важить шматок нагрітого заліза більше, ніж шматок холодного? Тепер ми відповідаємо так, а раніше відповідали ні. Сторінки, що лежать між цими двома відповідями, зрозуміло, не можуть приховати цього протиріччя.

Труднощі, що стоять тут перед нами, того ж порядку, що зустрічалися нам і раніше. Зміна маси, передбачена теорією відносності, незмірно мало, його не можна виявити прямим зважуванням навіть за допомогою дуже чутливих ваг. Доказ того, що енергія не є невагомою, можна отримати багатьма дуже переконливими, але непрямими шляхами.

Причина цього недоліку безпосередньої очевидності полягає у дуже малій величині взаємообміну між речовиною та енергією. Енергія по відношенню до маси подібна до знеціненої валюти, взятої по відношенню до валюти високої цінності. Один приклад зробить це зрозумілим. Кількість теплоти, здатна перетворити 30 тисяч тонн води на пару, важила б близько одного грама.

Енергія так довго вважалася невагомою просто тому, що маса, яка їй відповідає, надто мала.

Стара енергія-субстанція є другою жертвою теорії відносності. Першим було середовище, в якому поширювалися світлові хвилі.Вплив теорії відносності виходить далеко за межі тих проблем, з яких виникла. Вона знімає труднощі та протиріччя теорії поля; вона формулює загальніші механічні закони; вона замінює два закони збереження одним; вона змінює наше

класичне поняття

абсолютного часу. Її цінність не обмежується лише сферою фізики;

Заради простоти ми розглядали передусім рух уздовж прямої. Нашою координатною системою був твердий стрижень із початком, але без кінця.

Збережемо це обмеження. Зазначимо на стрижні різні точки; становище кожної з них може бути охарактеризовано лише одним числом – координатою точки. Говорячи, що координата точки дорівнює 7,586 м, ми маємо на увазі, що її відстань від початку стрижня дорівнює 7,586 м. Навпаки, якщо хтось задає мені будь-яке число і одиницю виміру, я завжди можу знайти точку на стрижні, що відповідає цьому числу. Ми бачимо, що кожному числу відповідає певна точка на стрижні, а кожній точці відповідає певне число. Цей факт виражається математиками у такому реченні:

Усі точки стрижня утворюють одновимірний континуум.

Тоді існує точка, як завгодно близька до цієї точки стрижня. Ми можемо зв'язати дві віддалені точки на стрижні поруч відрізків, розташованих один за одним, кожен з яких як завгодно малий. Таким чином, той факт, що ці відрізки, що пов'язують віддалені точки, можуть бути взяті як завгодно малими, є характеристикою континууму. Візьмемо інший приклад. Нехай ми маємо площину або, якщо ви віддаєте перевагу більш конкретному, поверхню прямокутного столу (рис. 66).Положення точки на цьому столі можна охарактеризувати двома числами, а не одним, як раніше. Два числа - відстань від двох перпендикулярних країв столу. Не одне число, а пара чисел відповідає кожній точці площини; кожній парі чисел відповідає певна точка.

Ще один приклад. Уявімо, що ви хочете як систему координат розглядати свою кімнату. Це означає, що ви хочете будь-яке положення тіла визначити щодо стіни кімнати. Положення центру лампи, якщо вона спокій, може бути описано трьома числами: два з них визначають відстань від двох перпендикулярних стін, а третє - відстань від підлоги або стелі. Кожній точці простору відповідають три певні числа; кожним трьом числам відповідає певна точка у просторі (рис. 67). Це виражається пропозицією:

Наш простір має тривимірний континуум.

Існують точки, дуже близькі до кожної даної точки простору. І знову довільна трохи відрізків лінії, що зв'язує віддалені точки, кожна з яких представлена ​​трьома числами, є характеристика тривимірного континууму.

Але все це навряд чи стосується фізики.

Щоб повернутись до фізики, потрібно розглянути рух матеріальних частинок. Щоб досліджувати і прогнозувати явища у природі, необхідно розглядати як місце, а й час фізичних подій.

Візьмемо простий приклад.

Маленький камінчик, який візьмемо за частинку, падає із вежі. Припустимо, що висота вежі дорівнює 80 м. З часів Галілея ми можемо передбачити координати каменю в довільний час після початку його падіння. Нижче наведено «розклад», що приблизно описує положення каменю після 1, 2, 3 і 4 секунд. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. ЦеУ нашому «розкладі» зареєстровано п'ять подій, кожна з яких представлена ​​двома числами – часом та просторовою координатою кожної події. Перша подія є початок руху каменю з висоти 80 м від землі в момент часу, що дорівнює нулю. Другою подією є збіг каменю з відміткою на стрижні на висоті 75 м від землі. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. ЦеЦе буде відзначено через одну секунду. Остання подія є удар каменю об землю.

Потім накреслимо дві перпендикулярні лінії; одну з них, скажімо горизонтальну, назвемо часов з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цей віссю, вертикальну ж - просторової віссю. Ми відразу ж бачимо, що наш «розклад» можна представити п'ятьма точками в просторово-час

Один і той самий зв'язок виражена двома способами - з допомогою «розкладу» і точками на площині. Одне може бути збудовано з іншого. Вибір між цими двома уявленнями є лише справою смаку, бо насправді обидва вони еквівалентні.

Зробимо тепер ще один крок. Уявімо покращений «розклад», що дає положення не для кожної секунди, а, скажімо, для кожної сотої або тисячної частки секунди. Тоді у нас буде багато точок у нашій просторово-часовій з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цей площині. Нарешті, якщо положення дається для кожної миті або, як кажуть математики, якщо просторова координатадається як функція часу, то сукупність точок стає безперервною лінією. Тому наш наступний малюнок (рис. 70) дає не уривчасті відомості, як раніше, а повне уявлення про рух каменю.

Рух вздовж твердого стрижня (вежі), тобто рух в одновимірному просторі, представлений тут у вигляді кривої в двовимірному просторово-часі. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цем континуум. Кожній точці в нашому просторово-часі з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цем континуумі відповідає пара чисел, одне з яких відзначає час ую, а інше – просторову координату. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. ЦеНавпаки, певна точка в нашому просторово-часовому м континууму відповідає певній парі чисел, що характеризує подію.Дві

сусідні точки являють собою дві події, що відбулися в місцях, близьких один від одного, і в моменти часу, що безпосередньо йдуть одна за одною.Ви могли б заперечити проти нашого способу уявлення наступним чином: мало сенсу в тому, щоб уявляти час відрізками та механічно з'єднувати його з простором, утворюючи двовимірний континуум із двох одновимірних континуумів. Але тоді ви повинні були б так само серйозно протестувати проти всіх графіків, які представляють, наприклад, зміну температури в Нью-Йорку протягом останнього літа, або проти графіків, що зображують зміну вартості життя за останні кілька років, оскільки в кожному з цих випадків вживається той самий метод. У температурних графіках одномірний температурний континуум з'єднується з одномірним часом

Повернемося до частки, що падає з 80-метрової вежі. Наша графічна картина руху є корисною угодою, оскільки вона дозволяє нам характеризувати становище частки у будь-який довільний момент часу.

Знаючи, як рухається частка, ми хотіли б зобразити її рух ще раз. Зробити це можна двома шляхами. Згадаймо зображення частинок, що змінюють своє становище з часом у одновимірному просторі. Ми зображаємо рух як низку подій у одновимірному просторовому континуумі. Ми не змішуємо час і простір, застосовуючидинамічну картину, в якій положеннязмінюються

з часом. Але можна зобразити той самий рух іншим шляхом. Ми можемо утворитистатичну з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цекартину, розглядаючи криву в двовимірному просторово-часі з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цем континуум. Тепер рух розглядається як щось задане, що існує в двовимірному просторово-часі.

м континуумі, а не як щось, що змінюється в одновимірному просторовому континуумі.

Обидві ці картини абсолютно рівноцінні, і перевага однієї з них перед іншою є лише справою угоди та смаку.

Те, що тут сказано про дві картини руху, не має відношення до теорії відносності. Обидва уявлення можуть бути використані з однаковим правом, хоча класична теорія швидше віддавала перевагу динамічній картині опису руху як того, що відбувається в просторі, статичній картині, що описує його в просторі-часі. Але теорія відносності змінила цей погляд. Вона явно віддала перевагу статичної картини і знайшла в цьому уявленні рухи як того, що існує в просторі-часі, зручнішу і об'єктивнішу картину реальності. Ми повинні відповісти на питання, чому ці дві картини еквівалентні з точки зору класичної фізики і не еквівалентні з точки зору теорії відносності. уВідповідь буде зрозумілою, якщо знову розглянути дві системи координат, що рухаються прямолінійно та рівномірно одна щодо одної. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цей координатою 4 і просторовою координатою 0. Згідно з класичною механікою, спостерігачі, що рухаються прямолінійно і рівномірно щодо обраної системи координат, виявлять, що камінь досягне землі через чотири секунди після початку падіння. Але кожен із спостерігачів відносить відстань до своєї системи координат, і вони, взагалі кажучи, пов'язуватимуть різні просторові координати з подією зіткнення, хоча час ая координата буде однією і тією ж для всіх інших спостерігачів, що рухаються прямолінійно і рівномірно один щодо одного. Класична фізика знає лише «абсолютний» час, поточний однаково всім спостерігачів.

Для кожної системи координат двовимірний континуум може бути розбитий на два одновимірні континууми - час і простір. Завдяки «абсолютному» характеру часу перехід від «статики» до «динамічної» картини руху має у класичній фізиці об'єктивний зміст.

Але ми вже переконалися, що класичні перетворення не можуть застосовуватися у фізиці в загальному випадку. З практичної точки зору вони ще придатні для малих швидкостей, але не підходять для обґрунтування фундаментальних фізичних питань. аЗгідно з теорією відносності, момент зіткнення каменю із землею не буде одним і тим же для всіх спостерігачів. І тимчасовоя, і просторова координата будуть різними у двох з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Церізних системах наступним чиномкоординат, і зміна часу

й координати буде дуже помітним, якщо відносна швидкість систем наближається до швидкості світла. Двовимірний континуум не може бути розбитий на два одновимірні континууми, як у класичній фізиці. Ми не можемо розглядати простір і час окремо при визначенні просторово-часу.х координат в іншій системі координат. Поділ двовимірного континууму на два одновимірних виявляється з погляду теорії відносності довільним процесом, що не має об'єктивного сенсу.У цьому немає нічого містичного, і остання пропозиція однаково справедлива і для класичної фізики, і теорії відносності. І знову відмінність виявляється лише тоді, коли розглядаються дві системи координат, що рухаються одна щодо одної. Нехай рухається кімната, а спостерігачі всередині та поза нею визначають просторово-час. наступним чиноме координати тих самих подій. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. ЦеПрибічник класичної фізики розіб'є чотиривимірний континуум на тривимірний простір і одновимірний час. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цей континуум.

Старий фізик дбає лише про перетворення простору, оскільки час йому абсолютно. Він знаходить розбиття чотиривимірного світового континууму на простір і час природним та зручним. Але з точки зору теорії відносності час, так само як і простір, змінюється під час переходу від однієї системи координат до іншої; при цьому перетворення Лоренца виражають трансформаційні властивості чотиривимірного просторово-часу. з іншого боку, густина розташування силових ліній показує, як сила змінюється з відстанню. Зображення поля малюнку, правильно витлумачене, характеризує напрям сили тяжіння та її залежність від відстані. З такого малюнка закон тяжіння можна прочитати так само добре, як і з опису його дії словами або точним і скупим мовою математики. Цего континууму - нашого чотиривимірного світу подій.

Світ подій може бути описаний динамічно за допомогою картини, що змінюється в часі та накиданою на тлі тривимірного простору. Але він може бути також описаний за допомогою статичної картини, накиданої на тлі чотиривимірного просторово-часу.

го континууму. З погляду класичної фізики обидві картини, динамічна та статична, рівноцінні. Але з погляду теорії відносності статична картина зручніша і об'єктивніша.

Навіть у теорії відносності ми можемо вживати динамічну картину, якщо ми її віддаємо перевагу. Але ми повинні пам'ятати, що цей поділ на час і простір не має об'єктивного сенсу, оскільки час не є «абсолютним».

Для того щоб більше знати про ці труднощі, поговоримо з фізиком, який стоїть на позиції класичної фізики, і поставимо йому кілька простих питань.

Що таке інерційна система?

Це система координат, у якій справедливі закони механіки Тіло, на яке не діють зовнішні сили, рухається в такій системі прямолінійно та рівномірно. Ця властивість дозволяє нам, отже, відрізнити інерційну систему координат від будь-якої іншої.

Але що означає, що на тіло не діють зовнішні сили?

Це означає, що тіло рухається прямолінійно і поступово в інерційної системі координат.

Тут ви могли б ще раз порушити питання: «Що ж таке інерційна система координат?» Але, оскільки є мало надій отримати відповідь, відмінну від наведеного вище, постараємося домогтися конкретної інформації, змінивши питання.

Чи є система, жорстко пов'язана із Землею, інерційною?

Ні, тому що закони механіки не є справедливими на Землі завдяки її обертанню. Систему координат, жорстко пов'язану з Сонцем, можна вважати інерційною при вирішенні багатьох проблем, але коли ми говоримо прообертанні Сонця

, ми знову укладаємо, що жорстко пов'язану з ним систему координат не можна вважати строго інерційною.

Що саме є вашою інерційною системою координат і як слід вибрати стан її руху? Це тільки корисна фікція, і я не маю жодного уявлення про те, як її реалізувати. Якби тільки я міг ізолюватися від усіхматеріальних тіл

і звільнитися від усіх зовнішніх впливів, моя система координат була б інерційною.

Але що ви маєте на увазі, говорячи про систему координат, вільну від усіх зовнішніх впливів?

Ми можемо підійти до тієї ж проблеми з іншого погляду. Постараємося уявити, що у всьому Всесвіті існує лише одне тіло, що утворює нашу систему координат. Це тіло починає обертатися. Відповідно до класичної механіки, фізичні закони для тіла, що обертається, відмінні від законів для тіла, що не обертається.

Якщо принцип інерції справедливий у разі, він не справедливий у іншому. Але це звучить дуже сумнівно. Чи можна розглядати рух лише одного тіла у всьому Всесвіті? Під рухом тіла ми завжди розуміємо зміну його положення щодо іншого тіла. Тому говорити про рух одного-єдиного тіла – значить суперечити здоровому глузду. Класична механіка та здоровий глузд сильно розходяться в цьому пункті. Рецепт Ньютона такий: якщо принцип інерції має силу, то система координат або спочиває, або рухається прямолінійно і рівномірно. Якщо принцип інерції немає сили, тіло перебуває у прямолінійному і рівномірному русі. Таким чином, наш висновок про рух чи спокій залежить від того, чи застосовні всі фізичні закони до даної системи координат. Візьмемо два тіла, наприклад Сонце та Землю.Рух, який ми спостерігаємо, знову

відносне.

У класичній фізиці немає жодного абсолютного прямолінійного та рівномірного руху. Якщо дві системи координат рухаються прямолінійно і рівномірно одна щодо одної, то немає жодних підстав говорити: «Ця система спочиває, а інша рухається». Але якщо обидві системи координат перебувають у непрямолінійному та нерівномірному русі одна щодо одної, то єповна підстава сказати: «Це тіло рухається, а інше спочиває (або рухається прямолінійно та рівномірно)». Абсолютний рух має тут певний сенс. У цьому місці між здоровим глуздом ікласичною фізикою

є широка прірва. Згадані труднощі, що стосуються інерційної системи, а також труднощі, що стосуються абсолютного руху, тісно пов'язані між собою. Абсолютний рух стає можливим лише завдяки ідеї про інерційну систему, для якої справедливі закони природи. Може здатися, що начебто немає виходу з цих труднощів, що начебто ніякафізична теорія не може уникнути їх. Джерело їх полягає в тому, що закони природи справедливі лише дляособливого класу

систем координат, саме для інерційних.

Можливість вирішення цих труднощів залежить від відповіді наступне питання. Чи можемо ми сформулювати фізичні закони таким чином, щоб вони були справедливими для всіх систем координат, не тільки для систем, що рухаються прямолінійно і рівномірно, але й для систем, що рухаються цілком довільно один до одного? Якщо це можна зробити, то наші проблеми будуть вирішені. Тоді ми зможемо застосовувати закони природи в будь-якій системі координат. Боротьба між поглядами Птолемея і Коперника, настільки жорстока в ранні дні науки, стала б безглуздою. Будь-яка система координат могла б застосовуватися з однаковою основою.. Справді, релятивістська фізика повинна застосовуватися у всіх системах координат, а отже, і в спеціальному випадку – в інерційній системі. Ми вже знаємо закони цієї інерційної системи координат.

Нові загальні закони, справедливі всім систем координат, мають у разі інерційної системи зводитися до старих, відомим законам. Проблема формулювання фізичних законів для будь-якої системи координат була вирішена так званоюзагальною теорією відносності ;попередня теорія, що застосовується лише до інерційних систем, називається спеціальною теорією відносності.Ці дві теорії не можуть, зрозуміло, суперечити один одному, тому що ми завжди повинні включати встановлені раніше закони

спеціальної теорії відносності до загальних законів для неінерційної системи. Але якщо раніше інерційна система координат була єдиною, для якої були сформульовані фізичні закони, то тепер вона представлятиме особливий граничний випадок, оскільки допустимі будь-які системи координат, які рухаються довільно один до одного.Такою є програма загальної теорії відносності.

Наша нова ідея проста: побудувати фізику, справедливу всім систем координат. Здійснення цієї ідеї приносить формальне ускладнення та змушує нас використовувати математичні методи, відмінні від тих, які досі застосовувалися у фізиці. Ми покажемо тут лише зв'язок між здійсненням цієї програми та двома принциповими проблемами – тяжінням та геометрією.

Безперервність-перервність

Перед нами розкрито мапу міста Нью-Йорка та навколишньої місцевості. Ми питаємо: яких пунктів на цій карті можна досягти поїздом? Переглянувши ці пункти у залізничному розкладі, ми відзначаємо їх на карті.Потім ми змінюємо питання та запитуємо: яких пунктів можна досягти автомобілем? Якщо ми намалюємо на карті лінії, що представляють усі дороги, що починаються в Нью-Йорку, то будь-якого пункту, що лежить на цих дорогах, можна практично досягти на автомобілі. В обох випадках ми маємо низку точок. У першому випадку вони віддалені один від одного і є різними залізничні станції, а в другому вони суть точки вздовж шосейних доріг. Наступне наше питання – про відстань до кожної з цих точок від Нью-Йорка або, для більшої точності, від певного місця у цьому місті. У першому випадку точкам на карті відповідають певні числа. Ці числа змінюються нерегулярно, але завжди на кінцеву величину, стрибком. Ми говоримо: відстані від Нью-Йорка до місць, яких можна досягти потягом, змінюються тільки безперервно.Однак відстані до місць, яких можна досягти на автомобілі, можуть змінюватися як завгодно, вони можуть змінюватися

безперервно.

Зміни відстаней можна зробити довільно малими у разі подорожі автомобілем, а не поїздом. Продукцію кам'яновугільних копалень можна змінювати безперервним чином., або, як ми його називатимемо, «елементарний квант» американських грошей, є один цент. Елементарний квант англійських грошей є один фартинг, який коштує лише половину американського елементарного кванта. Тут ми маємо приклад двох елементарних квантів, розмір яких можна порівнювати один з одним. Відношення їх величин має певний зміст, оскільки вартість одного з них вдвічі перевищує вартість іншого.

Ми можемо сказати: деякі величини можуть змінюватися безперервно, інші можуть змінюватися тільки перервно, порціями, які вже не можна далі зменшувати. Ці неподільні порції називаються елементарними квантамицих величин.

Ми можемо зважувати величезну кількість піску і вважати його масу безперервною, хоча його зерниста структура очевидна. Але якби пісок став дуже дорогим, а вживані ваги дуже чутливими, ми мали б визнати факт, що маса піску завжди змінюється на величину, кратну масі однієї найменшої частки. Маса цієї найменшої частки була б нашим елементарним квантом. З цього прикладу ми бачимо, як перервний характер величини, яка до тих пір вважалася безперервною, виявляється завдяки збільшенню точності наших вимірювань.

Якби ми мали характеризувати основні ідеї квантової теорії в одній фразі, ми могли б сказати: слід припустити, деякі фізичні величини, вважалися раніше безперервними, складаються з елементарних квантів.

Область фактів, що охоплюються квантовою теорією, є надзвичайно великою. Ці факти відкрито завдяки високому розвитку техніки сучасного експерименту. Так як ми не можемо ні показати, ні описати навіть основні експерименти, ми часто повинні наводити їх результати догматично.

Наша мета – пояснити лише принципові, основні ідеї.

Елементарні кванти речовини та електрики У картині будови речовини, намальованої кінетичною теорією, всі елементи побудовані з молекул. Візьмемонайпростіший приклад найлегшогохімічного елемента

- Водню.

Це означає, що маса перервна. Маса будь-якої порції водню може змінюватись лише на ціле число найменших порцій, кожна з яких відповідає масі однієї молекули водню. Але хімічні процеси показали, що молекула водню може бути розбита на дві частини або, іншими словами, молекула водню складається з двох атомів. У хімічному процесі роль елементарного кванта грає атом, а чи не молекула. Ділячи вище зазначене число на два, ми знаходимо масу атома водню; вона дорівнює приблизно

0,000 000 000 000 000 000 000 001 7 р.

Маса є перервною величиною. Але, звичайно, нам не слід турбуватися про це за звичайного визначення ваги тіла. Навіть найбільш чутливі ваги далекі від досягнення такого ступеня точності, яка дозволяла б виявити перерву зміну маси тіла.

Термінологія хвильової теорії

Однорідне світло має певну довжину хвилі. Довжина хвилі червоного кінця спектру вдвічі більша за довжину хвилі фіолетового кінця.

Термінологія квантової теорії

Однорідне світло складається з фотонів певної енергії. Енергія фотона для червоного кінця спектру вдвічі менша за енергію фотона фіолетового кінця.

Література

Мала гірнича енциклопедія. У 3-х т./за ред.В. С. Білецького . – Донецьк: «Донбас», 2004. –.

ISBN 966-7804-14-3

http://znaimo.com.ua

Касаткін А. С. Основи електротехніки. М: Вища школа, 1986.

Безсонов Л. А. Теоретичні основи електротехніки.

Електричні кола. М: Вища школа, 1978. slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00061/97100.htm

Сивухін Д. В.

Загальний курс фізики – М. Т. III. Електрика)

Еволюція фізики. Розвиток ідей від початкових понять до теорії відносності та квантів

Альберт Ейнштейн, Леопольд Інфельд (

Усі розглянуті нами оптичні явища говорять на користь хвильової теорії. Викривлення променя світла біля країв малих отворів і перешкод і пояснення заломлення - це найсильніші аргументи на її користь. Керуючись механістичною точкою зору, ми визнаємо, що залишається ще одне питання, на яке слід відповісти: визначення механічних властивостей ефіру. Для вирішення цієї проблеми істотно знати, чи поздовжні або поперечні світлові хвилі в ефірі. Іншими словами, чи поширюється світло подібно до звуку? Чи викликана хвиля зміною щільності середовища, тобто чи відбуваються коливання частинок у напрямі поширення? Або ефір схожий на пружний холодець - на середовище, в якому можуть поширюватися лише поперечні хвилі і в якій частинки рухаються в напрямку, перпендикулярному напряму поширення самих хвиль?

Перш ніж вирішити цю проблему, спробуємо визначити, якій відповіді слід віддати перевагу. Очевидно, ми мали б радіти, якби світлові хвилі виявилися поздовжніми. В цьому випадку труднощі в описі механічного ефіру були б не такі великі. Картина будови ефіру могла б, мабуть, бути чимось подібним до механічної картини будови газу, яка пояснює поширення звукових хвиль. Було б набагато важче створити картину будови ефіру, що передає поперечні хвилі. Уявити середовище у вигляді колодця або желе, побудовану з частинок таким чином, що через неї поширюються поперечні хвилі, - це нелегке завдання. Гюйгенс був переконаний, що ефір швидше виявиться «повітряним», ніж «залізоподібним». Але природа дуже мало уваги звертає наші труднощі. Чи була природа у разі милосердна до спроб фізиків зрозуміти всі явища з механістичної погляду? Щоб відповісти на це питання, ми маємо обговорити деякі нові експерименти.

Ми розглянемо докладно лише один із багатьох експериментів, який може дати нам відповідь. Припустимо, що маємо дуже тонку пластинку з турмалінового кристала, вирізану особливим чином, в описі якого тут немає необхідності. Пластинка кристала має бути настільки тонка, щоб можна було бачити крізь неї джерело світла. Візьмемо тепер дві такі платівки і помістимо їх між очима та джерелом світла (рис. 48). Що ми побачимо? Знову світлову точку, якщо платівки досить тонкі. Дуже великі шанси на те, що експеримент підтвердить наші очікування. Не ставлячи за мету встановити, які ці шанси, припустимо, що ми вже бачимо світлову точку через обидва кристали. Тепер поступово змінюватимемо положення одного кристала, повертаючи його. Ця пропозиція матиме сенс лише у тому випадку, якщо положення осі, навколо якої відбувається обертання, фіксовано. Ми візьмемо як осі лінію, що визначається проходить променем.

Це означає, що ми переміщуємо всі точки одного кристала, крім тих, що лежать на осі. Але що це за дивна річ! Світло стає все слабшим і слабшим, поки не зникає зовсім. Потім він знову з'являється, у міру того, як триває обертання, і знову набуває початкового вигляду, коли досягається початкове положення.

Не входячи до деталей подібних експериментів, ми можемо поставити таке запитання: чи можна пояснити ці явища, якщо світлові хвилі поздовжні? Якби хвилі були поздовжні, частинки ефіру мали б рухатися вздовж осі, т. е. у тому напрямі, у якому йде промінь. Якщо кристал обертається, нічого вздовж осі не змінюється. Крапки на осі не пересуваються, і лише дуже невелике усунення має місце поблизу осі. Такої ясно помітної зміни, як зникнення та поява нової картини, Не могло б виникнути для поздовжньої хвилі. Це, а також багато інших подібні явищаможуть бути пояснені лише в тому випадку, якщо припустити, що світлові хвилі не поздовжні, а поперечні! Або, іншими словами, треба припустити «залізоподібний» характер ефіру.

Це дуже сумно! Ми повинні підготуватись до зустрічі непереборних труднощів у спробі механічного опису ефіру.

З книги Таємниці простору та часу автора Комаров Виктор

З книги Еволюція фізики автора Ейнштейн Альберт

Хвилі матерії Як витлумачити той факт, що в спектрах елементів виявляються лише певні характерні довжини хвиль? В цій

З книги Фізика на кожному кроці автора Перельман Яків Ісидорович

Хвилі ймовірності Згідно з класичною механікою, якщо ми знаємо положення та швидкість цієї матеріальної точки, а також зовнішні діючі сили, ми можемо передбачити на основі законів механіки всю її майбутній шлях. У класичній механіці твердження «Матеріальна

З книги Рух. Теплота автора Китайгородський Олександр Ісаакович

Хвилі і хитавиця Хвилі на морі, що кидають корабель, то піднімають його високо на гребінь, то занурюють у глибоку водяну долину, здаються нам величезної висоти – вище багатоповерхового будинку. Однак це помилка: хвилі зовсім не такі високі, як здається пасажиру корабля. Найкращі

З книги Юний фізик у піонерському таборі автора Перельман Яків Ісидорович

Підводники не знають морських бур. У найсильніші шторми на глибині кілька метрів під рівнем моря панує штиль. Морські хвилі– один із прикладів хвильового руху, що захоплює лише поверхню тіла. Іноді може здатися, що

З книги Про що розповідає світло автора Суворов Сергій Георгійович

ХВИЛИ НА ХЛІБНОМУ ПОЛІ І НА ВОДИ Біг хвиль по хлібному полю допомагає зрозуміти, що відбувається з водою в річці або озері, коли їх поверхнею розбігаються хвилі від кинутого каменю. Здається, що вода біжить разом із хвилями. Насправді частки води тільки гойдаються на місці,

З книги Історія лазера автора Бертолотті Маріо

Хвилі на поверхні води Кожен знає, що водяні хвилі бувають різні. На поверхні ставка ледь помітна брижа злегка хитає пробку рибалки, а на морських просторах величезні водяні вали розгойдують океанські пароплави. Чим же відрізняються хвилі одна від одної? Подивимося,

З книги Твіти про всесвіт автора Чаун Маркус

Електромагнітні хвилі У той же час, коли спектроскопія почала бурхливо розвиватися, англійський фізик Джемс Клерк Максвелл (1831 -1879) узагальнював результати досвідчених досліджень електричних і магнітних властивостей матерії. При цьому він зовсім не мав справи зі світлом та з усіма

З книги Гравітація [Від кришталевих сфер до кротових нір] автора Петров Олександр Миколайович

Освоєння космосу і світлові (фотонні) ракети У майбутньому світла, можливо, доведеться грати ще одну роль - роль рушія (робочої речовини) в ракеті. Поки що людина освоює космос у межах сонячної системи, він, мабуть, може обійтися реактивними двигунами, в

З книги 4a. Кінетика. Теплота. Звук автора Фейнман Річард Філліпс

Гравітаційні хвилі У 1919 р. Ейнштейн передбачив, що маси, що рухаються, виробляють гравітаційні хвилі, що поширюються зі швидкістю світла. На жаль, амплітуда такого гравітаційного випромінювання, що випускається будь-яким джерелом, створеним в лабораторії, занадто

З книги Інтерстеллар: наука за кадром автора Торн Кіп Стівен

140. Що таке гравітаційні хвилі? Гравітаційні хвилі є гіпотетичними хвилями в структурі простору-часу, що рухаються зі швидкістю світла, як бриж на поверхні ставка.

З книги автора

Розділ 10 Гравітаційні хвилі А синуса графік хвиля за хвилею На вісь ординат набігає. Студентська пісня Електромагнітні хвилі Розвиваючи розповідь про створення нової теорії гравітації ОТО, ми постійно поверталися до ідей Ньютона та результатів його теорії. Зараз,

З книги автора

Електромагнітні хвилі Розвиваючи розповідь про створення нової теорії гравітації ОТО, ми постійно поверталися до ідей Ньютона і результатів його теорії. Зараз, починаючи розповідь про гравітаційні хвилі, ми порушимо цю традицію і звернемося до електромагнетизму Максвелла.

З книги автора

Розділ 51 ХВИЛИ § 1. Хвиля від предмета, що рухається§ 2. Ударні хвилі§ 3. Хвилі у твердому тілі § 4. Поверхневі хвилі§ 1. Хвиля від предмета, що рухається Ми закінчили кількісний аналізхвиль, але присвятимо ще один додатковий розділ деяким якісним оцінкам різних

З книги автора

Гравітаційні хвилі від Великого вибуху 1975 року Леонід Грищук, мій добрий приятель із Росії, зробив сенсаційну заяву. Він сказав, що в момент Великого вибуху виникло безліч гравітаційних хвиль, причому механізм їх виникнення (перш за невідомий) був

З книги автора

Гігантські хвилі на планеті Міллер Звідки могли з'явитися дві гігантські – за 1,2 кілометри заввишки – хвилі, які намагаються захлеснути «Рейнджер» на планеті Міллер (рис. 17.5)? Мал. 17.5. Гігантська хвиля обрушується на "Рейнджер" (Кадр з "Інтерстеллар", з дозволу