Третий этап развития естествознания: Современное естествознание (с начала XX века и до наших дней)

Электростатика (закон Кулона) – это случай взаимодействия покоящихся зарядов.
Магнетизм (Закон Ампера) – это взаимодействие движущихся с постоянной скоростью зарядов.
(Магнитное поле вызывается движущимися зарядами и действует на движущиеся заряды.)
Уравнения электродинамики Максвелла
Поводом для появления теории относительности и пересмотра
представлений о Пространстве и Времени было следующее:
Джеймс Кларк Максвелл -
англ. физик (1831 – 1879)

Уравнения Максвелла

Анг.физик М.Фарадей - первый выдвинул идею поля, которое распространяется с конечной скоростью в пространстве и взаимодействует с веществом.
Экспериментальным путем установил, что изменяющееся во времени магнитное поле может порождать электрическое (закон электромагнитной индукции).
Нем. физик Г.Герц – дал первое экспериментальное подтверждение теории электродинамики. В 1887 г. создал генератор электромагнитных волн.
(1791-1867 гг..)
(1857 – 1894 гг..)

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА
2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью
3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей.
4. Электромагнитные волны переносят энергию.
1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени и создаюшие электромагнитное поле.
Электромагнитные волны поперечны – векторы их перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

K’
‘

Законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
Следовательно, вывод: ни одна инерциальная система отсчета не выделяется по сравнению с любой другой инерциальной системой, т.е.
все инерциальные системы эквивалентны с точки зрения описания механических явлений.
С физической точки зрения все величины, имеющие физический смысл, должны быть инвариантны.

Однако уравнения Максвелла демонстрировали:
неприменимость к законам электромагнетизма принципа относительности, разработанного классической физикой. Они не были инвариантными относительно преобразований Галилея.
(инвариантность, т.е. неизменность и независимость какой – то величины или свойства относительно некоторых преобразований)

Уравнения Максвелла предсказывали,
что радиоволны и свет должны распространяться с некоторой фиксированной скоростью.
В какой системе отсчета скорость света имеет значение, предсказанное теорией, и относительно чего эта скорость фиксирована?

Метод Рёмера (1676 г.)
Рёмер наблюдал моменты затмений спутника Юпитера Ио при положениях Земли на орбите в точках F, G, L, K.
Для объяснения колебаний моментов затмений Рёмер предположил, что скорость света конечна и рассчитал её по результатам своих наблюдений. Скорость света оказалась равна 220 000 км/с, что на 26 % ниже современного значения (~300 000 км/с). Ошибка объясняется тем, что в то время были неизвестны с достаточной точностью значение
астрономической единицы и линейные элементы орбиты Юпитера
Моменты затмений сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите

Опыт Майкельсона – Морли устанавливает независимость скорости распространения света от орбитального движения Земли и тем самым опровергает гипотезу о «неподвижном эфире»
(1852-1931)

LIGO (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория

Нобелевская премия по физике 2017 года. Вручена Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Бэришу с формулировкой «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн».

Заряд, движущийся с ускорением создает электромагнитное поле (электромагнитную волну)
Покоящийся заряд создает электростатическое поле.
Заряд, движущийся с постоянной скоростью создает магнитное поле.
Тело массой m создает вокруг себя гравитационное поле.
Наличие поля того или иного типа проявляется через соответствующие взаимодействия и ими характеризуются.
Поле – это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом.

Дальнодействие (Ньютон) - непосредственное действие тел на любом расстоянии (тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту мгновенно). Например, силы всемирного тяготения.
Близкодействие (короткоде́йствие) (Декарт - вихри): взаимодействия передаютcя с помощью материальных посредников и с конечной скоростью.
В совр.ф. изменился смысл: близкодействие – это поля сильного и слабого взаимодействий. Для случая электромаг. взаимодействий - посредником является электромагнитное поле

Какие преобразования координат и времени не изменяли бы уравнения Максвелла и были бы при этом максимально простыми?
Выход предложил в 1904 г. голл. физик Х.Лоренц.

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО).
ПОСТУЛАТЫ ЭЙНШТЕЙНА
Принцип относительности (или релятивистский принцип) остается в силе для всех без исключения фундаментальных взаимодействий.
Скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета или, что тоже самое – не зависит от скорости движения источника света или приемника света. (с = 299 792 км/с = 2.99792 × 108 м/с
≈ 300 000 км/c).

Два наблюдателя, А и Б,
рассматривающие зонтик
М. Эшер (гол.худ.)- Парадокс «относительности» (три силы тяжести)

Следствия постулатов СТО
:
В движущейся системе отсчета должно происходить замедление скорости течения времени.
События , происходящие в разных точках пространства , могут быть одновременными в одной инерциальной системе и не быть одновременными в другой.
Отсутствие абсолютных длин (расстояний)

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА
сокращение длины
удлинение временных промежутков
увеличение массы
где
,
τ,
m
−длины, интервалы времени и массы в движущейся
системе, а те же с индексом «0» - в покоящейся

Удлинение временных промежутков
K' → K K → K'
Пусть в (∙) x ' системы K‘ происходит процесс длительностью
(собственное время), где
и
показания часов в K‘ в начале и в конце процесса, тогда длительность этого процесса в системе K

Относительность одновременности событий
Световой импульс достигает концов стержня одновременно в системе отсчета K‘ и не одновременно в системе отсчета K

«Что такое теория относительности?» — короткометражный научно-популярный фильм, снятый режиссёром С. Райтбуртом на Втором творческом объединении киностудии «Моснаучфильм» в 1964 году
Алла Демидова — учёный-физик
Георгий Вицин — актёр
Алексей Грибов — актёр
Алексей Полевой — актёр
Георгий Тусузов — пассажир
ru.wikipedia.org
Интерстеллар
2014 г. ‧ Драма/Детективный фильм ‧ 2 ч 49 мин

эквивалентность массы и энергии
Полная энергия тела равна произведению его
релятивистской массы на квадрат скорости света
Реакция аннигиляции: e+ + e- =2γ
Ε = mec2 = hυ
А.Эйнштейн
1879 – 1955 г.г.

Пространственно-временной континуум Минковского
Наблюдаемые события происходят от прошлого к будущему. Это качественно отличает временное измерение от пространственного. Для любого наблюдателя в данной точке пространства последовательность событий сохраняется. Понятия «прошлое» и «будущее» в данной точке пространства есть понятия абсолютные. Направленность времени связана с пониманием причинности: причина должна предшествовать следствию.
Световой конус – поверхность, образованная множеством мировых линий световых лучей, испущенных из начала координат пр-ва Минковского
Мировая линия – это множество событий для данного объекта, его траектория

Пространственно-временной интервал – отражает абсолютный характер пространственно - временных связей
Пространственно-временной интервал между двумя событиями не изменяется при переходе
из одной инерциальной системы в другую.
Протекание физических процессов носит объективный характер и не зависит от системы отсчета
x2 + y2 + z2 = c2t2
S = 0
S' = 0
Для любых двух событий, связанных между собой световым сигналом, интервал равен нулю

ПАРАДОКС БЛИЗНЕЦОВ

Общая теория относительности (ОТО) – 1915г.
Мысленный эксперимент Эйнштейна-
«лифт без окна»:
человек не сможет сказать,
находится ли лифт в состоянии покоя в гравитационном поле З. или же движется с постоянным ускорением.
Вывод: законы ф. должны быть
одинаковы в обеих ситуациях -
-принцип эквивалентности

В общей теории относительности рассматривается связь между телами и свойствами пространства.
Наличие массивного тела приводит к искривлению пространства и как следствие, к возникновению сил гравитации.
Кривизну пространства и искривление пространства можно заметить опытным путем.

Экспериментальные подтверждения ОТО
1. Прецессия эллиптических орбит планет, движущихся в поле сферических тел. (Зарегистрированы незначительные отклонения от стационарной орбиты у Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты.)

2. Отклонение луча света в поле Солнца
Проверка ОТО стала возможна благодаря полному солнечному затмению 1919 г.
Эддингтон показал, что свет от звезды искривлялся вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО. Явление неоднократно было подтверждено астрономическими наблюдениями звёзд в процессе затмений Солнца, а также с высокой точностью проверено радиоинтерферометрическими наблюдениями квазаров.
Истинное
положение Звезды
Видимое
положение Звезды
Земля
Солнце
3.

4. Запаздывание сигнала в поле Солнца (радиолокационное прохождение сигнала).
Гравитационное замедление времени, из-за которого любые часы будут
идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу)
они находятся.

:
Зонд Cassini (2004 г.), двигавшийся к Сатурну, регистрировал задержку времени прохождения радиоволн, посланных им. Из-за кривизны, они проходили большее расстояние. Исследователей интересовала в первую очередь точность измерений.

5. Гравитационное линзирование

Тела согласно ОТО движутся по искривленным траекториям не потому, что на них действует сила тяготения, а потому, что искривленная траектория является «самой короткой в искривленном пространстве-времени.

Кривизна пространства-времени
Расхождение (девиация) геодезических линий происходит вблизи массивного тела.
В пространстве-времени девиация
связана с его кривизной.

СТО – связывает воедино Пространство и Время
ОТО – устанавливает триединую связь: Пространство- Время-Материя.
Пространство «говорит» веществу как ему двигаться, а вещество говорит
пространству - как ему искривляться

Геометрия на плоскости и на поверхности сферы.
L<2πR

Вселенная является конечной (замкнутой) и безграничной
Конечное и ограниченное пространство
Бесконечное и безграничное пространство
(бесконечная плоскость)
Поверхность сферы - безграничное ,
но конечное пространство S=4πR2

Поверхности с отрицательной (слева), нулевой (в центре) и положительной (справа) кривизной
Пространство с постоянной отр. кривизной-
гиперболическое пространство
Пространство де Ситтера с полож.кривизной
Анти-де Ситтеровское пр-во (АДС)
с отр.кривизной

Лента Мёбиуса, бутылка Клейна, волчок и катушка Миндинга