Лекция 4. Электромагнитное поле Максвелла и эфир.

Теория Ньютона не смогла верно объяснить картину движения электрически заряженных частиц, взаимодействующих друг с другом через пустое пространство под влиянием электрических и магнитных сил.

Модель атома напоминает модель Солнечной системы: вокруг тяжелого положительного ядра обращаются более легкие и подвижные электроны. Но между гравитационными и электромагнитными силами имеются три важных отличия:

1. электрическим зарядом обладают лишь некоторые частицы, тогда как гравитационным «зарядом» обладают все формы вещества и энергии;

2. электрические силы могут приводить как к притяжению, так и к отталкиванию, гравитирущие объекты всегда только притягивают друг друга;

3. электромагнитные и гравитационные силы отличаются по величине. В атоме, например, первые намного превосходят соответствующие гравитационные (более чем в 10³⁹ раз).

В обыденной жизни доминирует электромагнетизм. Однако ввиду существования электрических зарядов разного знака большие скопления вещества, например Земля, в электрическом отношении более или менее нейтральны. Но для больших объектов (в Земле 10⁵¹ атомов) гравитация перекрывает качественно более сильные электромагнитные эффекты за счет количества.

Большой сдвиг в понимании особенностей электромагнитных сил совершился благодаря выдающемуся физику Джеймсу Кларку Максвеллу (1873), объединившему результаты экспериментальных исследований Эрстеда, Фарадея, Ленца и др. Он получил систему уравнений, которая верно описывает взаимосвязь между движением заряженных частиц и поведением электромагнитных сил (Л. Больцман по поводу уравнений Максвелла выразился словами Гете «Начертан этот знак не бога ли рукой!»). Было введено понятие электромагнитного поля.

Физики XIX века были склонны описывать поле по аналогии с движущейся жидкостью. Это привело к появлению таких терминов, как «магнитный поток» и «силовые линии». Описание поля как жидкости предполагает какую-то среду, через которую действие передается от одного заряда к другому. Такую среду называют «эфиром». Эфир заполняет пустое пространство, и он невидим. Свет представляет собой электромагнитные волны, существование которых предсказал Максвелл, они вызваны движением заряженных частиц и распространяются в пространстве как колебания эфира.

Кризис представлений о пространстве и времени.

Положение и скорость тела в ньютоновом абсолютном пространстве определяется только относительно выбранной системе координат. Принцип относительности, называемый принципом относительности Галилея, устанавливает следующее:

В инерциальных системах отсчета все механические явления происходят одинаковым образом.

После выдвижения идеи эфира появилась возможность использовать оптические явления - распространение световых сигналов – для измерения скорости движения тел по перемещению относительно эфира.

Теория Максвелла предсказывала, что свет распространяется в эфире с постоянной скоростью, зависящей только от «упругости» этой среды. Следовательно, скорость света, измеренная наблюдателем, связанным с Землей, должна быть различной в зависимости от того, в каком направлении распространяется свет. Свет, движущийся по «течению» эфира, должен распространяться с большей скоростью, чем свет, движущийся в обратную сторону.

Американские физики Майкельсон и Морли в 1887 г. Осуществили эксперимент. Они использовали лучи света, «путешествующие» в потоке эфира вперед и назад во взаимно перпосле их возвращения, можно было точно определить разность времени их «путешествия».

Разность времени в результате эксперимента оказалась равной нулю. Таким образом развеялась идея эфирного ветра. Эйнштейном была предложена новая теория пространства и времени, названная специальной теорией относительности (СТО).

В основе СТО – отрицание абсолютных пространств и времени, не связанных друг с другом. Не существует абсолютно покоящихся систем отсчета, относительно которых можно измерить скорость объекта в пустом пространстве. Равномерное движение может быть определено только относительно какой-либо другой материальной системы.

Первый постулат СТО – принцип относительности Галилея.

Второй постулат СТО – утверждение, что скорость света всегда и везде одинакова, вне зависимости от того, измеряется она на Земле или на движущемся объекте.