48. Специальная теория относительности.

Специальная теория относительности Эйнштейна В 1905 году Эйнштейн пишет статью "К электродинамике движущихся тел", которая состоит из введения и двух частей - "кинематической" и "электродинамической". Эта работа была написана без единой ссылки, что сейчас считается невозможным.

Во вводной части формулирует постулаты принципа относительности и принципа постоянства скорости света (независимости скорости света от скорости источника). Пишет, что опыт с контуром и магнитом можно разбить на две части: 1) контур движется магнит не движется 2) магнит движется, контур не движется. С точки зрения Лоренца такие задачи решаются по-разному, не симметрично.

В кинематической части - основа курса общей физики. Хотя в оригинале перед ней рассматривается неподвижная система координат с законами Ньютона и уравнениями Евклида. Даётся определение одновременности для событий, произошедших в одной точке, для событий, произошедших в разных точках придумываем систему синхронизации часов. Далее Эйнштейн получает формулу для сокращения длин и интервалов времени, выводит преобразования Лоренца для координат и времени, получает формулу сложения скоростей, говорит об изменении массы со скоростью.

В электродинамической части вводится формула для преобразования электромагнитного поля при переходе между системами отсчёта, а также формула Доплера для света. Вскользь о связи между энергией и массой.

В этом же 1905 ещё одна его работа - "Зависит ли инерция тела от содержащейся в нём энергии?". Проводит мысленный эксперимент - изменяем энергию тела на L в эргах и поделить на скорость в см/с, то получим изменение массы в граммах. В 1907 году Эйнштейн стал ссылаться в своих работах на Лоренца. Все шишки в связи с такой работой достались ему. Планку понравилась теория Эйнштейна и он построил под неё солидный математический аппарат, что мы сегодня и воспринимаем.

Теория относительности Минковского Минковский стал заниматься теорией относительности перед своей смертью. В 1908 году он формулирует свой подход: сразу постулирует, что все мы живём в четырёхмерном пространстве-времени со своей псевдоевклидовой метрикой. Тогда оказываются совсем не нужны постулаты Эйнштейна и преобразования Лоренца, так как всё получается из метрики. Минковский создал наиболее развитый аппарат для решения задач в рамках теории относительности. Однако его работа достаточно долго не воспринималась всерьёз.

СТО Большинство споров было между сторонниками Лоренца (старшее поколение) и сторонниками Эйнштейна (новое поколение). В результате споров все остались при своём, так как ответы в итоге получаются всё равно одинаковые. Парадокс близнецов. Разрешается тем, что мы в нём переходим в неИСО, а СТО постулирует всё только для ИСО.

СТО - реальный аппарат современной науки. Рассматривать электродинамику или объекты, движущиеся с большими скоростями без этого нельзя.

49. Возникновение квантовой физики: от гипотезы Планка до теории Бора.

1. Гипотеза Планка и её развитие.

В 1900 году – формула Планка для спектральной плотности излучения. Оказалось, необходимо взять распределение Больцмана и ввести необходимость излучения строгими порциями. Это не могли объяснить классической физикой. Появилась методом подгона.

В 1907 году Эйнштейн рассматривает вопрос о теплоёмкости твёрдого тела. Для неё существовала формула Дюлонга-Пти, но она не отвечала эксперименту для низких температур. У Эйнштейна твёрдое тело - совокупность осцилляторов с одинаковой частотой. Гипотеза о дискретной передаче энергии между осцилляторами. Эйнштейн ввёл приближения колебания с одной частотой, во втором приближении - учёт колебаний соседних атомов. Получил формулу для теплоёмкости, отвечающую эксперименту для любых температур (но не очень точно – в модели у всех осцилляторов одинаковая частота, а это не так)

В 1905 году Эйнштейн использует гипотезу, что излучение света существует в виде квантов. С учётом закона сохранения энергии получена формула Эйнштейна для фотоэффекта. Нобелевская премия.

В 1909 году он же рассмотрел гипотетический эксперимент - если поместить пластинку в абсолютно чёрное излучение, то какова будет флуктуация давления? Ответ состоял из двух частей – одна отвечала волновой природе, вторая – корпускулярной. Свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом. Позже был открыт эффект Комптона, который тоже объяснялся только с позиций квантования света.

1911 - первый Сольвеевский конгресс - как можно превратить формулу Планка в классический вид. Не удалось. Классическая физика умерла, как говорили многие.

1912 - Борн и Карман решили Эйнштейновскую задачу при помощи квантового гамильтониана. Параллельно появляется полуэмпирический метод Дебая, хорошо работавший при низких температурах.

2. Опыты Резерфорда и теория Бора.

Менделеев открыл свой периодический закон. В начале 20 века Резерфорд предложил использовать изучение свойств частиц при рассеянии их на тонких фольгах. Было установлено, что на каждые 8000 частиц одна из них отклоняется на угол больше 90 градусов. Модель Дж. Дж. Томпсона была неверна (сфера, которую заполняет + заряд, а внутри неё корпускулы с отрицательным зарядом, причем они располагаются послойно), и Резерфорд предложил планетарную модель в 1911 году (ядро малых размеров, вокруг электроны).

В 1912 в атоме "появилось" ядро (Резерфорд). Однако модель Резерфорда неустойчива, ибо электроны при движении по окружностям должны излучать.

Нильс Бор написал 5 постулатов и пришёл с ними к Резерфорду:

Испускание и поглощение энергии происходит не непрерывно, а только при переходах между состояниями.

Динамическое развитие системы в стационарном состоянии описывается классическими законами, при переходах между состоянии - квантовыми.

испускаемое при переходе излучение монохроматично и E = hv

расстояние (разность моментов?) между энергетическими уровнями кратно h/2pi

основное состояние любой квантовой системы определяется минимальным моментом электронов h/2pi.

В 1914 году Франк и Герц экспериментально подтвердили гипотезы Бора.

Эффекты Штарка и Зеемана тоже описывались квантованием.

Но для объяснения правил отбора Бор вводит принцип соответствия. Для больших квантовых чисел классическая и квантовая теория приближённо совпадают, это можно использовать для определения интенсивностей спектральных линий. Но этот принцип не объяснялся, а постулировался. К 1916-17 годам принято обобщённое правило квантования: обобщённые координаты и импульс q и p, тогда <int>p dq = к*h, кратно h.

В 1925 выдвинут принцип Паули: идея о двузначности электрона, спин электрона - объяснено заполнение оболочек произвольного атома.