Теория электромагнитного поля Максвелла

Содержание
Введение 3
1. Теория электромагнитного поля Максвелла 4
2. Переход от электромагнитной теории Максвелла к СТО Эйнштейна 6
3. Специальная теория относительности А.Эйнштейна 11
Заключение 14
Список литературы 15
...

Открытие Максвелла сравнимо по научной значимо¬сти с открытием закона всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению понятия всеобще¬го закона тяготения, труды Максвелла - к введению понятия электромагнитного поля и электромагнит¬ной природы света. Работы Максвелла привели ученых к признанию нового типа реальности - электромагнит¬ного поля, которое не совместимо с материальными точками и вещественной массой классической физики. Поле - это новая фундаментальная физическая реаль¬ность. Поэтому представления о поле должны высту¬пать в качестве первичных, исходных понятий. Как отме¬чал А. Эйнштейн, электромагнитное поле не нуждается даже в эфире, поскольку поле само является фундамен¬тальной реальностью.

Эта теория представлена в сжатой и простой (изящной) форме в виде шести уравнений в част¬ных производных. Система взглядов, которая легла в основу уравнений Максвелла, получила название теории электромагнитного поля Макс¬велла.
Хотя эта система уравнений имеет простой вид, но чем больше сам Максвелл и его последователи работали над ни¬ми, тем более глубокий смысл открывался им. Генрих Герц, который экспериментально получил электромагнитные из¬лучения, предсказанные теорией Максвелла, говорил о неис¬черпаемости уравнений Максвелла. Герц отмечал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по време¬нам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом, - ка¬жется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они да ют нам больше, чем в свое время в них было заложено».

Правда, теория Максвелла первой вышла за рамки МКМ, поэтому дальнейшая ломка МКМ была продолжением дела, начатого Максвеллом.С конца XIX - начала XX века ученые приступили к изучению качественно новых объектов в сравнении с классической физикой, и на этой основе был получен целый ряд принципиально новых результатов, позволивших дать новое истолкование некоторым базисным понятиям.Первое и, по-видимому, самое мощное влияние на перестройку НКМ оказала теория относительности выдающегося физика-теоретика XX столетия Альберта Эйнштейна (1879-1955).Поскольку в теории относительности Эйнштейна большую роль играет принцип относительности движения в формулировке Ньютона, то полезно еще раз привести ее. Впервые этот принцип ввел Галилей, о чем говорилось выше. С учетом идей Декарта Ньютон уточнил ирасширил формулировку Галилея. В частности, в качестве систем отсчета он брал не тела, а декартову систему координат. [2]Среди систем отсчета выделяют инерциальные, особенность которых состоит в том, что для них выполняется принцип относительности движения.Принцип относительности движения означает, что во всех инерциальных системах отсчета механические процессы инвариантны. Иначе говоря, два наблюдателя в одной и другой инерциальной системе отсчета увидят, что в их системах физические процессы протекают одинаково. Это означает также, что переход от одной инерциальной системы отсчета к другой осуществляется по правилам галилеевых преобразований, рассмотренных выше. И наоборот, если при переходе от одной системы отсчета к другой правила галилеевых преобразований не выполняются, то и принцип относительности движения не выполняется, поэтому такие системы отсчета не будут инерциальными. Таким смыслом наполнен принцип относительности движения в классической механике.Эйнштейн был тонким мыслителем, он всегда стремился максимально упорядочить логическую структуру физических теорий. Физики-теоретики того времени, включая Эйнштейна, стремились теоретически и логически упорядочить электродинамику Максвелла. В итоге таких усилий возникли новые теории специальная и общая теория относительности Эйнштейна.Теории электромагнитного поля Максвелла были присущи два недостатка:1. Она не совмещалась с принципом относительности движения классической физики, поскольку ее уравнения оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея. Это был существенный изъян, поскольку вся практика подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая теория не опровергает его.2. Полевая картина физической реальности Максвелла оказалась теоретически неполной и логически противоречивой, так как трактовка электрического поля и электрически заряженных частиц (носителей поля) не была увязана концептуально. Эйнштейн отмечал: теория Максвелла хотя и правильно описывает поведение электрически заряженных частиц, но не дает теории этих частиц. Следовательно, они должны рассматриваться на основе классической механики как материальные точки, расположенные в пространстве дискретно, что противоречит понятию поля. Последовательная полевая теория требует непрерывности всех элементов теории. [2]Решение этого вопроса, данное Эйнштейном, оригинально и поучительно. Объектом изучения в классической механике были или материальные точки, или точки пространства, или моменты времени. Он отвергает все эти разделительные «или».Объектом теории относительности выступают «физические события» как целостные объекты, в которых объединены понятия материи, движения, пространства, времени. Физической реальностью, отмечал Эйнштейн, обладают не точки пространства и не моменты времени, а только сами события, определенные четырьмя числами х, у, z, t. «Законы природы примут наиболее удовлетворительный с точки зрения логики вид, будучи выражены как законы в четырехмерном пространственно-временном континууме» [4].Остановимся теперь на рассмотрении первого недостатка. Анализ показал, что уравнения Максвелла неинвариантны относительно галилеевых преобразований. Это значит, что при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой форма уравнений оказывалась разной. Это равносильно тому, что в разных системах отсчета один и тот же физический процесс осуществлялся по разным законам, что противоречит науке. Как же уберечь теорию Максвелла от этого недостатка?В 1890 году Г. Герц искусственно подобрал систему уравнений, инвариантных относительно галилеевых преобразований, которые в частном случае покоящегося тела обращаются в уравнения Максвелла. Однако уравнения Герца противоречили опытно установленному постоянству скорости света (300 000 км/с).Еще один вариант переработки уравнений Максвола предпринял голландский физик-теоретик Г.Лоренц, но и его уравнения оказались неинвариантными относительно галилеевых преобразований.И тогда поступили, как в той известной притче: «Если гора не идет к Магомеду, то Магомед идет к горе» Поскольку не удалось переформулировать уравнения Максвелла так, чтобы они стали инвариантными относительно галилеевых преобразований, то Лоренц предпринял обратный ход: решил сами правила галилеевых преобразований видоизменить (проще говоря, подогнать) так, чтобы относительно этих правил уравнения Максвелла оказались инвариантными.Лоренцевы преобразования - это новые (отличные от галилеевых) правила перехода от одной инерциалыюй системы отсчета к другой. Для одной точки в декартовой системе координат без штрихов при переходе к системе отсчета со штрихами лоренцевы преобразования устанавливают следующие правила:Как видим, отличие правил лоренцевых преобразований от галилеевых существенно. Это отличие станет еще более зримым, если определять не координату материальной точки, а размер макроскопического тела, например, жесткого стержня длиной l. Такой стержень имеет начальную и конечную точки на оси х1, х. Определив координаты этих точек и вычитая из координаты с большим значением координату с меньшим значением, получим математическое выражение для длины (l) и для времени (t) движущегося стержня:Здесь l-длина движущегося стержня, l0 - длина покоящеюся стержня, v - скорость движения стержня (системы отсчета), t - время покоящегося стержня, t0 - время движущегося стержня, с - скорость света в пустоте. [2]Рассмотрим соотношения l и t сначала формально. При малых значениях величины v, по сравнению со скоростью света, значением дроби и подкоренного выражения можно пренебречь. Тогда l = l0 и t = t0, что равносильно возврату от лоренцевых преобразований к галилеевым. Если же значения величины v достаточно большие (сравнимые со скоростью света), то значением подкоренного выражения нельзя пренебречь и оно будет уменьшаться. Соответственно этому значение величины l будет уменьшаться, а значение величины t - возрастать. В таком случае с ростом скорости движения (v) различия между преобразованиями Лоренца и преобразованиями Галилея будут нарастать.Итак, Лоренц искусственно получил новые правила перехода от одной инсрпиалыюй системы к другой. При этом уравнения Максвелла оказываются инвариантными в любых инерциальных системах отсчета. Однако неизвестной остается реальность самих преобразований Лоренца: имеют они физический смысл или пег? Поскольку эти правила получены искусственно, то сам Лоренц отказывался придавать им физический смысл. Над ним довлели представления классической физики о неизменности пространства и времени. [3]Иначе подошел к этому вопросу А. Эйнштейн. За фактом хорошей согласованности лоренцевых преобразований с теорией Максвелла он угадал реальный физический смысл самих преобразований. Для этого он предпринял попытку дедуктивного построения теории, которая бы наполнила преобразования Лоренца физическим смыслом. Иначе говоря, он задался целью углубить понимание принципа относительности путем его развертывания в теорию относительности.3. Специальная теория относительности А.ЭйнштейнаВ качестве постулатов дедуктивной теории он принял два принципа. Прежде всего - принцип относительности классической физики, резко расширив его, распространив его не только на механическое движение, но и на электромагнитные и световые процессы. Уже в исходной посылке Эйнштейн объединил классическую механику и электромагнитную теорию Максвелла.