1.3 Электродинамическая картина мира в процессе обучения физике

После теоретических работ Максвелла и экспериментальных исследований Герца стало ясно, что в природе, кроме вещества, существует особый вид материи – электромагнитное поле. Электромагнитное поле

существует в пространстве независимо от вещества;

распространяется в виде волн;

способно взаимодействовать с веществом;

обладает энергией и импульсом.

При этом частицы являлись «сгустками поля». Материя (поле) стала обладать особенными свойствами: непрерывностью и бесконечностью. Основополагающим принципом становится принцип суперпозиции– в одном и том же месте пространства одновременно могут находиться сразу несколько объектов.

После того как во второй половине 19 в. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос: «Распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные?» согласно этим законам скорость электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с=3*10⁸м/с. По классическим законам механики при переходе в другую систему отсчета, скорость движущегося тела должна измениться. Значит, для каждой ИСО требовались новые законы электродинамики, в которых скорость света имела бы новое значение. Возникшие противоречия можно было решить тремя способами:

1. объявить, что принцип относительности не применим к электродинамике (Лоренц)

2. считать неверными уравнения Максвелла и пытаться изменить именно их (Герц)

3. отказаться от привычных классических представлений о пространстве и времени, сохранив и принцип относительности, и законы Максвелла (Эйнштейн).

Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая ее, Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути в дальнейшем были опровергнуты экспериментами.

Пространство и время не могут существовать отдельно друг от друга, они относительны, т.е. не существую сами по себе. Пространство обладает однородностью и изотропностью, но абсолютной длины предмета не существует, размеры тел зависят от выбора СО (происходит сокращение длины в направлении движения, при этом поперечные размеры не изменяются). Во Вселенной нет единого времени, наблюдается относительность одновременности (свет от звезд, находящихся на разных расстояниях, доходит до наблюдателя одновременно). Ритм времени в различных СО течет по разному (относительность промежутков времени) (опытное доказательство замедление времени в быстро движущихся СО – эксперимент с мю-мезонами. Мюоны – нестабильные частицы со средней продолжительностью жизни 2,2*10^-6с. По отношению к земному наблюдателю за это время мюон смог бы пролететь всего 660 метров, т.е. он не смог бы достичь поверхности Земли, т.к. рождаются эти частицы в верхних слоях атмосферы на высоте около 10 км. Т.к. скорость этих частиц соизмерима со скоростью света, в следствии эффекта замедления времени, они успевают долететь до Земли, где регистрируются приборами).

Кардинальным образом изменилось представление о взаимодействии. В механике Ньютона предполагалось, что тела действуют друг на друга мгновенно через пустоту (теория дальнодействия). В электродинамике получила развитие теория близкодействия: каждое из взаимодействующих тел создает электромагнитное поле, которое с конечной скоростью распространяется в пространстве.

Теория Максвелла объединила большое число электрических, магнитных, оптических явлений в единую область электромагнитных явлений. При этом отмечалось, что в природе возможны качественно различные виды движений: механические, тепловые, электромагнитные. Движение может происходить как в виде волн, так и в виде частиц, но существует предельная скорость распространения с=3*10⁸м/с.

Уравнения Максвелла по заданным начальным ( и обязательно граничным) условиям позволяют определить состояние системы в последующие моменты времени, но не в прошедшие, тем самым подчеркивая необратимость хода времени. Причинность носит статистический характер: одна и та же причина при одинаковых условиях вызывает приблизительно одинаковый результат, допуская отклонения (флуктуации). Можно отыскать закономерности, которым подчиняется большинство.

Если во времена расцвета МКМ стремились объяснить все электромагнитные явления с помощью механических процессов, то в начале 20 в. стали выводить законы движения частиц из электромагнитной теории. Частицы вещества пытались рассматривать как «сгустки» электромагнитного поля. Однако свести все процессы в природе к электромагнитным тоже не удалось. Уравнения движения частиц и закон гравитационного взаимодействия не могут быть выведены из теории электромагнитного поля. Уравнения Максвелла не работали, когда с их помощью пытались объяснить излучение веществом коротких электромагнитных волн. Отказ от законов классической физики применительно к микроскопическим системам и излучению привел к зарождению в начале 20 в. новой физической теории – квантовой теории.