Р. Марч Физика для поэтов

Какой волной является свет

Эксперимент Юнга убедительно показал всем сомневающимся, что свет действительно имеет волновую природу. Но оставался: вопрос: что это за волна? Какой природы эта волна? Максвелл,1, который первым осознал родство между электромагнетизмом и светом, дал ответ на этот вопрос.

Картина электромагнитной волны, которую предложил Maксвелл, показана на рис.7-12. Она опирается на два факта, обнаруженных Фарадеем2:
1)- при измененииэлектрического поля возникает магнитное поле, и 2) –возникшее магнитное поле, перпендикулярно электрическому. Связь между электрическим и магнитным полями является взаимной: изменяющееся магнитноеполе тоже создает перпендикулярное себе электрическое поле.

Даже не задаваясь вопросом, как такая специфическая комбинация полей может возникнуть, ясно, что картина, показанная на рис. 7-12, нескончаема. Действительно, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, которое, так как оно тоже изменяется, создает электрическое поле. Процесс продолжается сколь угодно долго и, в результате, электромагнитная волна перемещается в направлении, перпендикулярном направлению обоих полей.

Вернемся теперь к вопросу— как возникает та специфическая комбинация полей, что изображена на рис. 7-11. Это вполне очевидно из законов электричества имагнетизма. Предположим, что электрический заряд совершает некоторое регулярное, повторяющееся, движение. Это может быть и движением по кругу, и простыми, “назад — вперед“, колебаниями заряда вблизи положения равновесия. В любом случае вокруг заряда возникает и электрическое и магнитное поле, поскольку заряд находится в движении. Оба поля постоянно изменяются, потому что постоянно изменяется положение заряда в пространстве, а напряженность поля (“сила поля”) зависит от расстояния. Таким образом, любой объект, который испускает свет, должен содержать очень быстро колеблющиеся электрические заряды, так как частоты световых волн лежат в диапазоне 1014 Гц, то есть 100 триллионов колебаний в секунду!

Любой объект, колеблющийся столь быстро, неизбежно должен быть микроминиатюрным, так что безнадежной задачей является заметить эти колебания непосредственно. Но Максвелл совершенно справедливо заметил, что и более медленные колебания электрических зарядов также должны создавать электромагнитные волны, интенсивность которых будет достаточна, для того, чтобы обнаружить их с помощью электроизмерительных приборов. В электрических проводах можно привести в колебательное движение на частотах в несколько тысяч герц, сопоставимых с частотой звуковых волн, большое количество зарядов и попытаться обнаружить созданные этим движением зарядов электромагнитные волны. В 1887г., через двадцать лет после того, как Максвелл опубликовал свою теорию, немецкий физик Генрих Герц сделал это!

Герц создавал мощные электрические колебания в электрической цепи (контуре). В другом контуре, находящемся в той же лаборатории на расстоянии нескольких метров, и не имеющем никаких источников электричества возникали электрические колебания той же самой частоты. Частоты колебаний легко могли быть измерены; а несложные интерференционные эксперименты позволили определить длину волны. Вычисленная по формуле (7.1) скорость распространения электромагнитных волн совпала со скоростью света! После экспериментов Герца мало кто мог сомневаться, в том, что Максвелл был прав. “Волны Герца“1, стали в XX веке основой современных радио- и теле- коммуникаций.

Вскоре после работ Герца было обнаружено рентгеновское излучение2. Было доказано, что это тоже электромагнитные волны, но с частотами, приблизительно в тысячу раз бóльшими, чем у видимого света. Позже было открыто и γ – излучение, испускаемое радиоактивными веществами. Снова оказалось, что это тоже электромагнитные волны, но с ещё бóльшими (еще в тысячу раз!) частотами.

В современной технике и технологии используются электромагнитные волны практически всех частот. Максвелловская теория электромагнетизма является , пожалуй, самым поразительным примером того, как "чистая" научная теория приводит к практическим результатам, на которые, исследователи, возможно, так бы никогда и не наткнулись. в своих случайных поисках.

Глава 8. Начала Теории Относительности или же
“Какова длина движущегося поезда?”

Но в физике я скоро научился чувствовать те пути, которые вели к глубинам, и игнорировать все остальное, то есть те многие вещи, которые загромождают ум, и отклоняют его от основного. Толчком к этому было понимание того, что кто-то обязательно должен обобщить накопленный экспериментальный материал и довести его понимание до сознания других, вне зависимости от того нравится им это или нет“.

- Альберт Эйнштейн.

Биографии всех известных физиков обычно содержат фразу: "его выдающиеся способности стали очевидными на самих ранних стадиях обучения". Однако от этого клише необходимо освободить Альберта Эйнштейна − одного из тех немногих физиков двадцатого столетия, чьё имя известно практически всем.

На современном газетном языке подросток Эйнштейн мог бы быть охарактеризован как недисциплинированный и неорганизованный старшеклассник из семьи среднего класса.

А. Эйнштейн родился в 1879 г. в Баварии (Германия) в семье мелкого промышленника − предпринимателя. Когда он, так и не получив аттестат, покинул местную гимназию, его строгие учителя вздохнули с облегчением, поскольку рассеянный мальчик с мечтательными глазами был, по их мнению, "явно необучаем".

Через год бесцельных и безбедных странствий по Северной Италии Эйнштейн узнал, что бизнес его отца лопнул. Настала пора приобретать профессию и самостоятельно зарабатывать на жизнь. Из двух своих очевидных талантов − математика и игра на скрипке − Эйнштейн выбрал математику, как более надежный источник средств существования. Он сдавал вступительные экзамены в самый знаменитый в то время европейский технический университет1 −в Швейцарскую Федеральную Политехническую Школу (ETH, если использовать немецкую аббревиатуру названия университета.)

Из-за слабых знаний латинского и древнегреческого языков2, Эйнштейн провалил экзамены в ETH. Однако существовал способ обойти это препятствие: по правилам тех лет выпускники швейцарских средних школ зачислялись в ETH без экзаменов. Так в биографии Эйнштейна появилась школа в швейцарском городке Ароу (Aarau). Школа имела репутацию передовой, ей руководили ученики и последователи Генриха Песталоцци − реформатора педагогической науки. В школе культивировалась идея “свободного духа образования“, сдерживаемого лишь рамками преподаваемых школьных дисциплин. Особую роль в обучении последователи Песталоцци отводили визуальным образам и развитию визуального воображения ученика. Школа в Ароу оказалась во всех отношениях удачной точкой на маршруте Эйнштейна в ETH. Уже юного Эйнштейна отличало развитое визуальное воображение. Позже, уже в свои зрелые годы, Эйнштейн неоднократно утверждал, что все его лучшие идеи всегда прибывали к нему в виде визуальных образов, а математическое или словесное изложение идей появлялось лишь спустя несколько месяцев или даже лет.

Его соученики по Швейцарской Федеральной Политехнической Школе (ETH), описывают Эйнштейна как очаровательного и остроумного, но вместе с тем индифферентного3 студента, который посещал кафе в Цюрихе регулярно, а лекции в университете− иногда. Он жадно читал, но его читательский аппетит редко распространялся на книги, рекомендованные учебной программой. Его друзья были убеждены, что их очаровательный товарищ обязательно ярко проявит себя в какой-то области, но никто и подумать не мог, что этой областью будет физика,− предельно структурированный и упорядоченный (как казалось в конце XIX века) раздел естествознания. Друзья помогали Эйнштейну преодолевать тяготы и проблемы учебного процесса и, вместе с несколькими симпатизирующими ему профессорами ETH, очень радовались, когда он в 1900 г. получил, наконец, диплом о высшем образовании. По некоторым дисциплинам оценки Эйнштейна были рекордно высокими, однако по другим были “ниже плинтуса”.

Примерно год после окончания ETH Эйнштейн зарабатывал себе на жизнь случайными заработками репетитора. Затем усилия его близкого друга, Марцеля Гроссманна, позволили Эйнштейну занять синекуру1 − место в патентном агентстве в столице Швейцарии (г. Берн). Находясь в этой надежной бюрократической нише, Эйнштейн мог бы просто наблюдать со стороны развитие физики XX века, однако он не наблюдал, а творил современную физику. За первые восемь лет XX века − самые важные годы в истории современной физики − Эйнштейн создал основы теории относительности, (одно это без, всяких сомнений, ставит его в один ряд с Ньютоном и Галилеем), и сделал и ряд важных шагов в развитии квантовой теории и теории твердого тела. В это же время он также предложил математически обоснованную теориюброуновского движения (нерегулярного движения микроскопических частиц под действием бомбардировки окружающими их атомами), которая является прямым подтверждение существования атомов и молекул.

Все эти эпохальные работы, относящиеся к разным областям физики, были опубликованы в научных журналах за очень короткий промежуток времени − за феерические для Эйнштейна 11 месяцев 1905 г2. Несмотря на неизвестность имени автора европейскому научному сообществу, ценность его работ была немедленно признана научной общественностью. После преодоления неизбежных формальностей, связанных с присуждением ученой степени доктора наук, тридцатилетний Эйнштейн с 1909 до 1914 последовательно занимал должности профессора в университетах Цюриха и Праги. Накануне Первой мировой войны он занял пост профессора в Берлинском Университете, где специально для него были созданы особые, “тепличные“ условия работы, освобождающие его от выполнения каких-либо служебных обязанностей. Эйнштейн рассматривал эту предоставленную ему честь (стать профессором в 30 лет) со смешанными эмоциями. Служба в патентном бюро предоставила ему несколько драгоценных лет свободы от того давления, которое обычно ощущает на себе любой молодой ученый в любой стране. Принцип “публикуйся или пропадай” уже в начале XX века был законом в большинстве европейских университетов. Позже Эйнштейн писал:

Профессия ученого ставит молодого человека в весьма затруднительное положение: от него требуют весьма внушительного количества научных публикаций, и у него появляется искушение создавать неглубокие, но многочисленные работы. Только сильные личности способны противостоять этому искушению. В большинстве же других профессий молодой человек со средними способностями быстро достигает того, что от него ожидают. Его ежедневное существование не зависит ни от каких озарений. Если у него есть свои научные интересы, то он может погружаться в свои любимые проблемы в дополнение к выполнению своей рутинной работы. Такой человек не угнетен опасением, что все его усилия не приведут ни к каким результатам. Я благодарен Марцелю Гроссману, что находился несколько лет в таком замечательном положении.”

Наиболее эффектным результатом патронажа М. Гроссмана было то, что, 25-летний Эйнштейн разработал теорию относительности, которая удивила и продолжает удивлять даже самых верных ее сторонников своей эксцентричностью и причудливостью.

С помощью своего дерзкого и парадоксального постулата1 о постоянстве скорости света Эйнштейн объяснил результаты экспериментов Майкельсона - Морли по измерению скорости света (с ) и последовательно настаивал на том, что, кажущаяся парадоксальностьэтого постулата может быть объяснена только при полном пересмотре концепций пространства (расстояния) и времени тех понятий, которые на протяжении всей истории развития классической физики считались самоочевидными(то есть не требующими определений и разъяснений).2

Постулаты Теории Относительности

Основной постулат теории Эйнштейн короток и обманчиво прост:

Скорость света одинакова во всех направлениях и для всех наблюдателей, независимо от того, движутся они или покоятся.

Вполне очевидно, что объявление такого постулата легко и сразу объясняет все результаты опытов Майкельсона. Скорость светового сигнала в обоих плечах интерферометра (прямо по тексту постулата) одна и та же, и не зависит от скорости и направления движения Земли. Вращение интерферометра вокруг своей оси также не может повлиять (согласно постулату) на распространение светового сигнала. Однако парадоксальность ситуации сохраняется. В самом деле, если один наблюдатель установил, что световой сигнал распространяется со скоростью , то как с этим может согласиться другой наблюдатель, перемещающийся в направлении сигнала? Кажется вполне очевидным − если сигнал распространяется со скоростью света относительно первого наблюдателя, то для второго (движущегося в направлении сигнала) наблюдателя скорость распространения светового сигнала должна быть иной.

Парадоксальность постулата Эйнштейна можно проиллюстрировать обсуждением такого риторического вопроса: ”Посланный световой сигнал подобен пуле или же звуку выстрела?” Представим, что машинист движущегося поезда выстрелил по террористам, перекрывшим путь поезду. Выпущенная им пуля добавила к своей обычной начальной скорости1 скорость поезда (ещё 10- 20 метров в секунду). Звук же от произведенного машинистом выстрела распространяется по воздуху со своей обычной скоростью (примерно 330 м/с). Неподвижный наблюдатель на земле2 зафиксировал бы своими объективными измерениями, что звук выстрела распространяется, как обычно, а вот выпущенная с движущегося поезда пуля летит быстрее обычного. Если бы аналогичные измерения скоростей проводил сидящий рядом с машинистом помощник3, то он объективно зафиксировал бы, что пуля летит с положенной ей конструктором оружия скоростью, а вот звук выстрела распространяется впереди поезда медленнее обычного4. Применение постулата Эйнштейна к этой ситуации дает противоречивый ответ: для движущихся (на поезде) наблюдателей, световой импульс ведет себя подобно пуле, а для неподвижных наблюдателей на земле световой сигнал подобен звуку выстрела !

Дерзкий и смелый постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света не противоречил, однако, основным представлениям физической теории. В начале ХХ века этот постулат вполне удачно гармонировал с представлениями других ученых об устройстве окружающего нас мира. В частности, в самом начале ХХ века знаменитый французский математик и философ Анри Пуанкаре (1854 – 1912)5 опубликовал свою интерпретацию экспериментов Майкельсона и Морли. В своих работах Пуанкаре отмечал, что с момента появления в физике XVII века принципа инерции6 такие концепции как "абсолютное движение" и "абсолютный покой" не могут использоваться при развитии физической теории. В соответствии с принципом инерции любой предмет, который перемещается по прямой линии с постоянной скоростью, может рассматриваться как неподвижный. Пуанкаре полагал, что результаты опытов Майкельсона являются конкретным проявлением общего принципа относительности: никакой физический эксперимент не может доказать существования “абсолютного движения”7. Эйнштейн, не имевший в то время никаких представлений об идеях Пуанкаре, тем не менее реализовал их в своей теории. После выполненного Эйнштейном пересмотра базовых физических концепций, постулат о постоянстве скорости света не только не нарушал, но, напротив, дополнялпринцип относительности.

При создании теории относительности Эйнштейн ясно понимал, что его постулат не только директивно (как указ!) решает все проблемы, связанные с распространением света, но и затрагивает фундаментальные физические представления о пространствеи времени. В своей теории он подробно рассмотрел следствия своего постулата, а также проанализировал, способна ли физическая теория принять и использовать эти положение для своего дальнейшего развития. При знакомстве с теорией относительности всегда надо помнить: основные положения теории Эйнштейна оченьпросты и незамысловаты, однако следствия из этих положений не всегда “дружат” со здравым смыслом. При изучении основ теории относительности вполне нормальна такая реакция " я думаю, что понимаю это; но только я не верю этому”1. Начинающему ученому обычно требуется примерно пять лет тесного контакта с идеями теории относительности, чтобы чувствовать себя свободно в этой области физики. Это вызвано не тем, что теория относительности математически сложна и замысловата2, а, тем, что с позиций повседневного опыта, многие выводы теории относительности кажутся, мягко говоря, странными.

При знакомстве с основами теории относительности всегда полезно помнить: ”если что-то случилось далеко, то новостям об этом событии, даже распространяющимся со скоростью света, требуется некоторое время для того, чтобы шокировать нас“ Практически все кажущиеся парадоксы теории относительности могут быть объяснены с помощью этого незамысловатого правила. Любой наблюдатель, (или наблюдательница, если следовать принципам современной политкорректности), может использовать постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света. Наблюдатели, находящиеся в относительном (друг относительно друга или подруги) движении, зафиксируют одно и то же событие (взрыв сверхновой звезды или же фейерверк, отмечающий наступление Нового Года в Поднебесной) с разной временнóй задержкой. Эти разные люди могут в совпадающих деталях описать наблюдаемое ими событие, но никогда не смогут договориться о том, когда это событие произошло. Таким образом, разныенаблюдатели по-разному интерпретируют одно и то же событие. Однако нужно последовательно придерживаться принципа: можно спорить о месте и о моменте времени, когда произошло то или иное событие, но надо отметать, как нарушение постулата Эйнштейна, любую ситуацию, в которой нарушаются причинно – следственные связи рассматриваемых событий.

  1. Техническое задание предмет контракта: Поставка книжной продукции для библиотек Управления культуры свао г. Москвы; Место поставки: 127254 г. Москва ул. Руставели, д. 13/12, кор. 2

    Техническое задание
    Поставка товара производится для осуществления комплектования фонда государственных публичных библиотек Управления культуры СВАО г.Москвы за счёт субсидий из федерального бюджета.
  2. Арнольд И. В. Стилистика. Современный английский язык: Учебник для вузов. 4-е изд., испр и доп

    Список учебников
    Основная задача книги — научить сознательно подходить к художественному тексту как целому, рассматривая его в единстве формы и идейного содержания. Все аспекты стилистики, изучаемые современными учеными, нашли свое отражение в данной книге.
  3. Джеймс Фенимор Купер Зверобой, или Первая тропа войны

    Документ
    Фенимор Купер - один из первых американских писателей, завоевавших славу и признание читателей в нашей стране. Наследие Купера велико и многообразно: более тридцати романов, исторические сочинения, публицистические памфлеты.
  4. Удобное справочное пособие для студентов гуманитарных вузов и всех любителей кино, быстрый поиск любой информации (режиссёр, актёры, второе или третье название фильма, награды различных фестивалей и жюри), неожиданные открытия

    Документ
    Удобное справочное пособие для студентов гуманитарных ВУЗов и всех любителей кино, быстрый поиск любой информации (режиссёр, актёры, второе или третье название фильма, награды различных фестивалей и жюри), неожиданные открытия.
  5. Учебное пособие (издание второе, исправленное и дополненное) Для студентов очного и заочного отделений (специальность 021400 «Тележурналистика»)

    Учебное пособие
    КИНОИСКУССТВО, это вид художественного творчества, которое является синтезом литературы, изобразительного искусства, театра и музыки. Технологические истоки указывают на две принципиальные составляющие кинематографа: фотография (фиксация
  6. Представлены программа дисциплины, краткий конспект лекций, задания для семинарских занятий, список рекомендуемых источников для изучения дисциплины, тематика контрольных и контролируемых самостоятельных работ, вопросы и тесты для самоконтроля. Удк

    Программа дисциплины
    Медведев В.Ф., член-корр. НАНБ, доктор экономических наук, профессор, директор Центра мировой экономики и международных экономических отношений Института экономики НАН Беларуси
  7. Пол Фейерабенд

    Документ
    "Против методологического принуждения"В кн.: Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки. М., 1986. с.125-467 Feyerabend P.K. Against Method.
  8. Удобное справочное пособие для студентов гуманитарных вузов и всех любителей кино, быстрый поиск любой информации (режиссёр, актёры, второе или третье название фильма, награды различных фестивалей и жюри), неожиданные

    Документ
    Абонент временно недоступен. Росс., 2009. Мелодр. Реж. Марк Горобец. В р: Дина Корзун, Эвклид Кюрдзидис, Павел Новиков, Альберт Филозов, Римма Зюбина, Ирина Новак.
  9. Российский комитет программы юнеско «Информация для всех», Бюро юнеско в Москве (1)

    Документ
    Анонсы содержания номеров журнала «Медиаобразование» публикуются на российском образовательном портале «Учеба» www.ucheba.com и рассылаются администрацией данного портала всем желающим по электронной почте.

Другие похожие документы..