Принцип относительности и инвариантность скорости света. Квантовая гипотеза планка, эксперементы с объектами микромира

                                                                                             

 САНКТ-ПЕТЕРБУРГСИЙ

УНИВЕРСИТЕТ  УПРАВЛЕНИЯ И  ЭКОНОМИКИ

• Факультет  экономики и финансов

                                             Кафедра   финансы и кредит

 

 

 

 

 

• КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

 

 

Дисциплина: Концепции  современного естествознание           

Тема: Принцип относительности и инвариантность скорости света. Квантовая гипотеза планка, эксперементы с объектами микромира.

 

 

 

 

 

                                                         Выполнил студент

                                                            Группы №4-3513/1-1

                                                            Воронов Артем Алексеевич

Финансы и кредит 

 

Проверил: Комоцкий Сергей Станиславович

 

Подпись: _____________________________

 

 

 

•                                              Кириши 2011г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

                                                      Глава 1.

1. Принцип относительности …………………..…………………….………………….3

                                                         Глава 2.

2.Инвариантность  скорости света…………..……………………………………….5

                                            Глава 3.

 3. Квантовая гипотеза  Планка…………..…………………………………………....7

                                                      Глава 4.

 4. Эксперементы с объектами микромира …………...................................9

 

Список литературы …………………………………….…………………………………….......13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.

1.Принцип относительности 

Принцип относительности  — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. 

Отсюда следует, что  все законы природы одинаковы  во всех инерциальных системах отсчёта.

Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея, оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике.

В современной литературе принцип относительности в его  применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении  ею) обычно выступает терминологически .

Отцом принципа относительности  считается Галилео Галилей, который  обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта  система или равномерно движется. Во времена Галилея люди имели  дело в основном с чисто механическими явлениями. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом:

 

Для предметов, захваченных  равномерным движением, это последнее  как бы не существует и проявляет  своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

 

 

Идеи Галилея нашли  развитие в механике Ньютона. В своих  «Математических началах натуральной  философии»(том I, следствие V) Ньютон так  сформулировал принцип относительности:

 Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.Однако с развитием электродинамики оказалось, что законы электромагнетизма и законы механики (в частности, механическая формулировка принципа относительности) плохо согласуются друг с другом, так как уравнения механики в известном тогда виде не менялись после преобразований Галилея, а уравнения Максвелла при применении этих преобразований к ним самим или к их решениям — меняли свой вид и, главное, давали другие предсказания (например, измененную скорость света).  Эти противоречия привели к открытию преобразований Лоренца, которые делали применимым принцип относительности к электродинамике (сохраняя инвариантной скорость света), и к постулированию их применимости также к механике, что затем было использовано для исправления механики с их учетом, что выразилось, в частности, в созданной Эйнштейном Специальной теории относительности.После этого обобщённый принцип относительности (подразумевающий применимость и к механике, и к электродинамике, а также к возможным новым теориям, подразумевающий также преобразования Лоренца для перехода между инерциальными системами отсчета) стал называться «принципом относительности Эйнштейна», а его механическая формулировка — «принципом относительности Галилея».

 

Принцип относительности, включающий явно все электродинамические  и оптические явления, был, по-видимому, впервые введен Анри Пуанкаре начиная  с 1889 года (когда им впервые высказано предположение о принципиальной ненаблюдаемости движения относительно эфира) до работ 1895, 1900, 1902, когда принцип относительности был сформулирован детально, практически в современном виде, в том числе введено его современное название и получены многие принципиальные результаты, повторенные позже другими авторами, такие как например детальный анализ относительности одновременности, практически повторенный в работе Эйнштейна 1905. Пуанкаре также, по признанию Лоренца, был человеком, вдохновившим введение принципа относительности как точного (а не приближённого) принципа в работе Лоренца 1904, а впоследствии внёсшим необходимые исправления в некоторые формулы этой работы, в которых у Лоренца обнаружились ошибки.

                                               

 

                                                     Глава 2.

2.Инвариантность  скорости света

 

Принцип инвариантности скорости света следует из принципа относительности (гласящего, что все физические законы инвариантны относительно выбора инерциальной системе отсчета ) и является воплощением лоренц-инвариантности электродинамики. Более обобщенно можно говорить, что максимальная скорость распространения взаимодействия (сигнала), называемая скоростью света[2], должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчёта.

Данное утверждение  очень непривычно для нашего повседневного  опыта. Мы понимаем, что скорости (и расстояния) меняются при переходе от покоящейся системы к движущейся, при этом интуитивно полагая, что время абсолютно. Однако принцип инвариантности скорости света и абсолютность времени несовместимы. Если максимально возможная скорость инвариантна, то время идёт различным образом для наблюдателей, движущихся друг относительно друга. Кроме этого, события одновременные в одной системе отсчёта, будут неодновременны в другой.

До опытов Майкельсона — Морли в 1887 году (первые результаты были получены А. Майкельсоном ещё в 1881 году), существовало три мнения на модель эфира:

 Эфир неподвижен и существует абсолютная система отсчета (АСО) связанная с эфиром. При движении тел в АСО должен регистрироваться «эфирный ветер» и как следствие скорость света в разных направлениях при движении относительно АСО будет разной.

Тела при  движении в неподвижном эфире (относительно АСО) сокращаются в продольном к  скорости направлении (Г. Ф. Фицджеральд).Свет из-за сокращения измерительных масштабов во всех направлениях будет иметь одну и ту же измеренную скорость.

Эфир полностью (Герц) или частично (Френель) увлекается телами, в частности Землей при  своем орбитальном движении. Эфирный  ветер на Земле не регистрируется по причине его малости или  отсутствия.

Инвариантность  скорости света в лаборатории покоящейся относительно поверхности Земли, твёрдо установлена экспериментально. Интерес представляет поиск возможных небольших отклонений от этого закона

В 1905 г. Альберт Эйнштейн в своей работе «К электродинамике движущихся тел» постулирует принцип относительности и инвариантность скорости света в инерциальных системах отсчета. Опираясь на «мысленные эксперименты» приведенные в своей работе, выводит преобразования между движущимися и покоящимися инерциальными системами отсчета, в математическом виде схожие с преобразованиями Лоренца. Со временем изменилось само представление о пространстве и времени и в соответствии с ним механика стала такой же лоренц-инвариантной, как оптика и электродинамика. Классические преобразования Галилея являются приближёнными и справедливыми для малых (по сравнению со скоростью света) скоростей. В общем же случае необходимо применять релятивистские преобразования Лоренца, которые легли в основу специальной теории относительности Эйнштейна.

Инвариантность  скорости света в лаборатории покоящейся относительно поверхности Земли, твёрдо установлена экспериментально. Интерес представляет поиск возможных небольших отклонений от этого закона.

 Глава 3.

3.Квантовая  гипотеза Планка 

 

Лауреат Нобелевской  премии по физике за 1918 год Макс Планк (1900) выдвинул свою квантовую гипотезу, согласно которой энергия излучения абсолютно черного тела состоит из отдельных неделимых далее порций (квантов) по аналогии с идеей Л. Больцмана (1872) о том, что в идеальном газе энергия каждой молекулы может принимать только определенные дискретные значения. Занимаясь вычислением энтропии идеального газа на основе математических методов комбинаторики и теории вероятностей, Больцман использовал вспомогательное предположение о дискретности энергии молекул. Когда Планк занимался вычислением энергии излучения абсолютного черного тела, он столкнулся с большими трудностями и вынужден был воспользоваться той же идеей о дискретности энергии излучения. В период исследований Планка крупнейшие ученые мира, пытаясь решить проблему излучения, пришли к выводу, что нагретое тело независимо от температуры должно излучать бесконечно большую энергию в ультрафиолетовой части спектра, но это противоречило опыту. Этот парадоксальный вывод получил в физике название ультрафиолетовой катастрофы. Для выхода из этой тупиковой ситуации Планк обратил внимание на те физические представления об обмене энергией между молекулами, которые исповедовал Больцман и которые не замечали все остальные ученые. Суть этих представлений заключалась в том, что Больцман использовал представление о наличии отдельных порций энергии. В одном из писем Больцман заявил Планку, что он никогда не сможет построить вполне правильную теорию статистической термодинамики излучения без введения в процессы излучения ранее неизвестного элемента дискретности. Именно после этого, поняв продуктивность подхода Больцмана, Планк по аналогии решил, что и энергию излучения абсолютно черного тела надо разбить на отдельные порции. М.Я. Гельфер в книге «История и методология термодинамики и статистической физики» (1981) указывает: «К 1900 г. Планк понял, что, оставаясь только на позициях феноменологизма (что характерно, как мы видели в его работах, для этого периода), выйти из тупика не удастся. Необходим радикальный шаг – перенос идей Больцмана из области молекулярно-кинетической теории на область излучения. Признав эту необходимость, Планк делал крутой поворот в своем мировоззрении, ибо это означало переход на позиции атомистики со всеми вытекающими отсюда последствиями» (Гельфер, 1981, с.472). Об этом же пишет физик Луи де Бройль в статье «Таинственная постоянная h – великое открытие Макса Планка» (сборник «Вернер Гейзенберг. У истоков квантовой теории», 2004): «Будучи большим поклонником прославленного Больцмана, Планк сообщил о своей работе основателю статистической механики, представляя последнюю на его суд. Больцман ответил ему, что он никогда не сможет построить правильную теорию статистической термодинамики излучения без введения в процессы излучения ранее неизвестного элемента дискретности». Со слов де Бройля, «замечание Больцмана помогло ему найти правильный путь к своему великому открытию» (де Бройль, 2004, с.338-339).

                             

                                                 Глава 4.

                        4. Эксперементы с объектами микромира

 

Объекты микромира описываются  и как частицы, и как волны, и одно описание дополняет другое. В повседневной жизни имеется  два способа переноса энергии  в пространстве — посредством  частиц или волн. Чтобы, скажем, скинуть со стола костяшку домино, балансирующую на его краю, можно придать ей необходимую энергию двумя способами. Во-первых, можно бросить в нее другую костяшку домино (то есть передать точечный импульс с помощью частицы). Во-вторых, можно построить в ряд стоящие костяшки домино, по цепочке ведущие к той, что стоит на краю стола, и уронить первую на вторую: в этом случае импульс передастся по цепочке — вторая костяшка завалит третью, третья четвертую и так далее. Это — волновой принцип передачи энергии. В обыденной жизни между двумя механизмами передачи энергии видимых противоречий не наблюдается. Так, баскетбольный мяч — это частица, а звук — это волна, и всё ясно. Однако в квантовой механике всё обстоит отнюдь не так просто. Даже из простейших опытов с квантовыми объектами очень скоро становится понятно, что в микромире привычные нам принципы и законы макромира не действуют. Свет, который мы привыкли считать волной, порой ведет себя так, будто состоит из потока частиц (фотонов), а элементарные частицы, такие как электрон или даже массивный протон, нередко проявляют свойства волны. Теперь давайте проведем несложный эксперимент для иллюстрации вышесказанного. Предположим, у нас есть замкнутая камера с двумя тонкими горизонтальными прорезями — одна выше средней линии, другая ниже. Теперь представим, что на эти прорези направлен параллельный пучок световых лучей. Естественно предположить, что частицы света будут проходить через оба отверстия прямо, и на задней стенке камеры (на экране) будут наблюдаться две отчетливые световые полосы напротив каждой из прорезей, а посередине между ними свет попадать не должен. Однако на практике мы наблюдаем совершенно иную картину. Согласно принципу Гюйгенса, каждая из прорезей играет роль независимого источника вторичных световых волн, и на экране на средней линии между двумя прорезями мы, напротив, должны наблюдать максимум амплитуды их колебаний. В частности, звуковые волны, исходящие из двух стереодинамиков, как раз и дают пик громкости на линии равного удаления между ними.

То же самое касается и двух равноудаленных источников световых волн, проецируемых на экран. Иными словами, пик амплитуды волны приходится как раз на ту пространственную зону, куда, согласно корпускулярной теории, должно попадать минимальное число частиц. Если направить на подобную камеру пучок электронов, на экране будут отчетливо прослеживаться свойственные волнам полосы пиков и спадов интенсивности излучения, то есть электрон будет вести себя как волна. С другой стороны, если «выстреливать» электроны по одному, каждый из них будет оставлять четкий след на экране — то есть вести себя как частица. Самое интересное, что то же самое будет, если вместо пучка электронов вы возьмете пучок фотонов: в пучке они будут вести себя как волны, а по отдельности — как частицы (см. Опыт Дэвиссона—Джермера). Подытожим сказанное. Если фотоны или электроны направлять в такую камеру по одному, они ведут себя как частицы; однако если собрать достаточную статистику таких одиночных экспериментов, то выяснится, что по совокупности эти же электроны или фотоны распределятся на задней стенке камеры так, что на ней будет наблюдаться знакомая картина чередующихся пиков и спадов интенсивности, свидетельствующая об их волновой природе. Иными словами, в микромире объекты, которые ведут себя как частицы, при этом как бы «помнят» о своей волновой природе, и наоборот. Это странное свойство объектов микромира получило название квантово-волнового дуализма. Проводилось множество экспериментов с целью «разоблачить истинную природу» квантовых частиц: использовались различные экспериментальные методики и установки, включая такие, которые позволили бы на полпути к приемнику выявить волновые свойства отдельной частицы или, напротив, определить волновые свойства светового пучка через характеристики отдельных квантов.