Принцип относительности в электродинамике кратко

Обновлено: 02.07.2024

При́нцип относи́тельности — 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. [1]

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 как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность).

Содержание

История

Наша Земля в действительности движется, хоть мы этого не замечаем, воспринимая движение только в сопоставлении с чем-то неподвижным. Каждому, будь он на Земле, на Солнце или на другой звезде, всегда будет казаться, что он как бы в неподвижном центре, а все остальное движется.

Как это заметили древние и современные истинные наблюдатели природы и как это показывает тысячью способов чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и сопоставления с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плывущем корабле, если они не знают, что вода течет, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности Земли. Я могу считать, что если бы я находился на Солнце, Луне или на других звездах, то мне всегда казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается все окружающее, вокруг которого вращается этот окружающий меня мир, в центре которого я нахожусь.

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

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.

Принцип относительности, включающий явно все электромагнитные 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.

В упомянутых и дальнейших работах перечисленных авторов, а также и других, среди которых следует выделить Планка и Минковского, применение принципа относительности позволило полностью переформулировать механику быстро движущихся тел и тел, обладающих большой энергией (релятивистская механика), и физика в целом получила сильнейший толчок к своему развитию, значение которого трудно переоценить. Впоследствии в целом к этому направлению в развитии физики (построенном на принципе относительности в отношении равномерно прямолинейно движущихся систем отсчета) применяется название специальная теория относительности.

Очевидно, принцип относительности Эйнштейна и выросшая из него идея геометризации пространства-времени сыграли важную роль при распространении на неинерциальные системы отсчета (учитывая принцип эквивалентности), то есть в создании новой теории гравитации — общей теории относительности Эйнштейна. Остальная теоретическая физика также ощутила влияние принципа относительности не только непосредственно, но и в смысле повышенного внимания к симметриям.

Можно заметить, что даже если когда-либо обнаружится, что принцип относительности не выполняется точно, его огромная конструктивная роль в науке своего времени (длящаяся по меньшей мере до сих пор) настолько велика, что ее даже трудно с чем-нибудь сравнить. Опора на принцип относительности (а потом также ещё и на некоторые его расширения) позволила открыть, сформулировать и продуктивно разработать такое количество первостепенных теоретических результатов, практически не мыслимых без его применения, во всяком случае, если говорить о реальном пути развития физики, что его можно назвать основой, на которой построена физика.

Примечания

Литература

Оригинальные источники и исторические обзоры в русском переводе

Принцип относительности. Сборник работ классиков релятивизма. Под редакцией В. К. Фредерикса и Д. Д. Иваненко. ОНТИ. Ленинград 1935 г. (pdf, русск.). Принцип относительности. Сборник работ по специальной теории относительности. М., Атомиздат, 1973. 332 с. (djvu, русск.)

Оригинальные источники

Электродинамика – это раздел физики, который исследует электромагнитные поля и взаимодействия между ними.

Рисунок 1. Понятие электродинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Классическая электродинамика комплексно описывает все свойства электрических и магнитных полей, а также рассматривает физические законы, благодаря которым одни физические тела соприкасаются с другими, обладающие положительным электрическим зарядом.

Основой указанного направления в науке при условиях неподвижной среды выступают уравнения Максвелла. Физики оперирует такими основными понятиями в электродинамике как магнитное поле, электрический потенциал и заряд, а также вектор Пойнтинга.

Электромагнитным полем принято называть универсальный вид материи, проявляющийся в результате влияния одного заряженного элемента на другой. Часто при исследовании электромагнитного поля выделяют его основные составляющие: электрическое поле и магнитное поле.

Электромагнитный потенциал – это особая физическая величина, которая точно определяет распределение поля в общем пространстве.

Электродинамику можно разделить на:

электростатику;
электродинамику сплошной среды;
магнитостатику;
релятивистскую электродинамику.

Вектор Пойнтинга представляет собой физическую величину, являющаяся главным вектором плотности энергетического потока поля в электродинамике. Величина указанного вектора пропорциональна энергии, которую возможно перенести в единицу временного пространства через единичную площадь поверхности, которая прямо перпендикулярна направлению распределения электромагнитной индукции.

Готовые работы на аналогичную тему

Электродинамика составляет хорошую базу для развития оптики и физики радиоволн. Эти разделы науки считаются фундаментами для электротехники и радиотехники. Классическая электродинамика использует концепцию уравнений Максвелла при описании ключевых свойств и принципов взаимодействия электромагнитных полей, дополняя ее универсальными материальными уравнениями, начальными и граничными условиями.

Принцип относительности в электродинамике

Принцип относительности в электродинамике был сформирован во второй половине XIX столетия Максвеллом, который представил общественности основные законы действия электромагнитного поля. В результате возник логический вопрос, распространяется ли данная закономерность на явления в электродинамике. Другими словами, необходимо выяснить, смогут ли электромагнитные процессы, взаимодействуя между зарядами и токами, распространяться одинаково во всех инерциальных системах отсчета или же они будут равномерно рассредоточиваться в механических процессах.

Чтобы дать правильный и полноценный ответ на этот вопрос, физики решили изначально определить, меняются ли центральные законы электродинамики при трансформации от одной системы к другой или же остаются неизменными подобно гипотезам Ньютона. Только в последнем случае желательно не сомневаться в действительности исследуемого принципа относительно к методам электромагнитного поля, а затем уже рассматривать эту систему как общий закон природы.

Законы электродинамики достаточно многогранные и сложные, поэтому грамотное решение данной задачи – непростое дело.

Однако уже устоявшиеся соображения позволяют найти рациональный ответ. Согласно принципам электродинамики, общая скорость распространения электрических и магнитных волн в вакууме всегда одинакова. Однако, с другой стороны, этот показатель также возможно приравнять с одной избранной системой отсчета в соответствии с теорией сложения скоростей механики Ньютона.

Это означает, что если обычный закон сложения скоростей справедлив и действителен, то при последующем переходе от одной инерциальной концепции к другой принципы электродинамики должны в обязательном порядке меняться так, чтобы в новой системе отсчета скорость света уже была представлен в совершенно иной формуле.

Таким образом, физики обнаружили серьезные противоречия между механикой Ньютона и электродинамикой, законы которой не согласуются с принципом относительности.

Возникшие сложности пытались побороть благодаря таким способам:

объявив несостоятельным принцип относительности в использовании к электромагнитным процессам;
признав уравнения Максвелла неправильными и пытаясь изменить их таким образом, чтобы они при очередном переходе от одной инерциальной системы к другой, не менялись;
отказавшись от классических идей о времени и пространстве для того, чтобы в дальнейшем сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла.

Интересно, что единственно верной оказалась именно третья возможность, ведь последовательно развивая её, А. Эйнштейн смог представить новые представления о пространстве и времени. Первые два пути в итоге были опровергнуты в ходе проведения многочисленных экспериментов. Таким образом, представление о существовании инерциальной системы отсчета не выдержало опытной проверки.

Согласовать принцип относительности с методами электродинамикой получилось только после того, как ученые отказались от классических идей о пространстве и времени, согласно которым временное течение и расстояние не зависят от преимущественной системы отсчета.

Принцип сохранения электрического заряда

При нестабильной электризации физических тел используется закон сохранения электрического положительного заряда. Эта закономерность вполне справедлива для замкнутой физической концепции. Справедливость принципа сохранения заряда в электродинамике играет важную роль в природе благодаря тому, что в состав всех веществ находятся только электрически заряженные частицы.

Взаимодействие электромагнитных сил между телами невозможно обнаружить, ведь любая материя нейтральна с электрической позиции в обычном состоянии. Отрицательно и Положительно заряженные элементы непосредственно связаны друг с другом силами электростатики и формируют нейтральные системы.

Макроскопическое вещество будет заряжено электрически в том случае, если оно включает в своем составе избыточное число элементарных частиц с определенным знаком заряда.

Ученые отделяют часть отрицательного заряда от положительного для того, чтобы наэлектризовать физическое тело. Это возможно сделать посредством трения, которое предполагает наблюдение над огромным количеством превращений элементарных частиц.

Существование исследуемого процесса, в пространстве между движущимися элементами, благодаря которым делится конечное время, - вот основное, что отличает теорию близкодействия от гипотезы действия на расстоянии. Ключевое свойство электрического поля в электродинамике – влияние его частиц на другие электрические заряды.

Электростатическое поле может появиться только посредством действия электрического заряда, так как оно существует в пространстве, окружающем взаимосвязанные между собой заряды.

Линии магнитной индукции в электродинамике

За направление основного вектора магнитной индукции ученые используют показатель южного полюса относительно северной магнитной стрелки, которая свободно устанавливается в магнитном поле. Это направление в электродинамике полностью совпадает с направлением положительной энергии замкнутого контура с током. Положительная нормаль движется в ту сторону, куда трансформируется буравчик, если вращать его параллельно току в рамке.

Правило буравчика можно сформулировать следующим образом: если направление постоянного движения буравчика в итоге совпадает с показателями тока в проводнике, то направление вращения ручки автоматически будет приравниваться к вектору магнитной индукции. В магнитном поле активно действующего прямолинейного проводника стрелка устанавливается строго по касательной окружности.

Линии магнитной индукции – это особые линии, касательные к которым направлены аналогично тому, как и вектор в конкретной точке поля.

Параметры однородного поля всегда параллельны, а главной особенность линий индукции магнитов в электродинамике называют их бесконечность. Поля с замкнутыми силовыми линиями образуют магнитное поле, которое не имеет источников.

Законы электродинамики и принцип относительности

Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится тело или движется (длина абсолютна).

Специальная теория относительности Эйнштейна — это новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

Принцип относительности в механике и электродинамике

После того как во второй половине XIX в. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные явления? Иными словами, протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и т. д.) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Или, быть может, равномерное прямолинейное движение, не влияя на механические явления, оказывает некоторое воздействие на электромагнитные процессы?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, или же, подобно законам Ньютона, они остаются неизменными. Только в последнем случае можно отбросить сомнения в справедливости принципа относительности применительно к электромагнитным процессам и рассматривать этот принцип как общий закон природы.

Законы электродинамики сложны, и строгое решение этой задачи — нелегкое дело. Однако уже простые соображения, казалось бы, позволяют найти правильный ответ. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 3 • 10 8 м/с. Но в соответствии с законом сложения скоростей механики Ньютона скорость может быть равна скорости света только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к этой избранной системе отсчета со скоростью , скорость света должна уже быть равна — . Это означает, что если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой законы электродинамики должны меняться так, чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже была равна не , а - .

Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Возникшие трудности пытались преодолеть тремя различными способами.

Первый способ:
объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории X. Лоренц. Электромагнитные явления еще со времен Фарадея рассматривались как процессы, происходящие в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, — мировом эфире. Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, — это согласно Лоренцу особая, преимущественная система отсчета. В ней законы электродинамики Максвелла справедливы и наиболее просты по форме. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.

Второй способ:
считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем. По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности остается справедливым.

Третий способ:
отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем чтобы сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. Это наиболее революционный путь, ибо он означает пересмотр в физике самых глубоких, основных представлений. С данной точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла.

равильным оказался именно третий способ. Последовательно развивая его, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.

Точка зрения Лоренца, согласно которой должна существовать избранная система отсчета, связанная с мировым эфиром, пребывающим в абсолютном покое, была опровергнута прямыми опытами.

В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения проводились очень точно с помощью специального прибора — интерферометра Майкельсона. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. Но всегда получался отрицательный результат: движения Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось.

При попытках Герца изменить законы электродинамики Максвелла выяснилось, что новые уравнения неспособны объяснить ряд наблюдаемых фактов. Так, согласно теории Герца движущаяся вода должна полностью увлекать за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так.

Итак,
согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.

Постулаты теории относительности

В основе теории относительности лежат два постулата.

А что такое постулат?

Постулат в физической теории выполняет ту же роль, что и аксиома в математике.
Это — основное положение, которое не может быть логически доказано.
В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.

1.
Все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета физические законы имеют одинаковую форму.
Таким образом, принцип относительности классической механики распространяется на все процессы в природе, в том числе и на электромагнитные.

2.
Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

Скорость света занимает, таким образом, особое положение.
Более того, как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.

Для того чтобы сформулировать постулаты теории относительности, нужна была большая научная смелость, так как они противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.

В самом деле, допустим, что в момент времени, когда начала координат инерциальных систем отсчета К и К₁, движущихся относительно друг друга со скоростью , совпадают, в начале координат происходит кратковременная вспышка света.
За время t системы отсчета сместятся относительно друг друга на расстояние υt, а сферическая волновая поверхность будет иметь радиус υt.
Системы отсчета К и К₁ равноправны, и скорость света одинакова в той и другой системе отсчета.

Следовательно, с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К, центр сферы будет находиться в точке О, а с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К₁, — в точке О₁.

Но ведь не может одна и та же сферическая поверхность иметь центры в точках О и O₁.
Это явное противоречие вытекает из рассуждений, основанных на постулатах теории относительности.

Итак,
имеется противоречие с классическими представлениями о пространстве и времени, которые при больших скоростях движения несправедливы.
Однако сама теория относительности не содержит противоречий и является абсолютно логичной.

Элементы теории относительности. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

Принцип относительности Эйнштейна — это фундаментальный физический закон, согласно которому любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Иначе говоря, законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.

В основе СТО лежат два постулата, выдвинутых Эйнштейном:

Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Уравнения, выражающие законы природы, инвариантны по отношению к любым инерциальным системам отсчета. Инвариантность — неизменность вида уравнения при переходе из одной системы отсчета в другую (при замене координат и времени одной системы другими).
Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости источника и приемника света. До сих пор ученые как-то пытались объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона—Морли, а Эйнштейн постулировал это как закон.

Специальная теория относительности представляет физическую теорию, изучающую пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов, когда можно пренебречь действием тяготения. СТО, опираясь на более совершенные данные, раскрывает новый взгляд на свойства пространства и времени. Эти свойства необходимо учитывать при скоростях движения, близких к скорости света.

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

Читайте также: