Лекции по физике

alt="" width="193" height="34" align="BOTTOM" border="0" />

Таким образом, окончательно приходим к следующему приближённому уравнению для определения положения фронта рассматриваемой волны в момент времени t:

Составим выражения для компонент ненормированной нормали к этой поверхности волнового фронта в точке x,y,z = - ct в момент времени t. Имеем

Обозначим через направляющие косинусы для нормали, взятой к найденной приближённо волновой поверхности. Так как величина /c мала, то углы так что приближённо можно положить .

В этом месте своих рассуждений Стокс прибегает к гипотезе о потенциальности поля скоростей эфира.

Гипотеза Стокса. Поле скоростей эфира потенциально, т.е. существует такая функция (x,y,z), что

Согласно гипотезе Стокса имеем следующие очевидные простые соотношения для компонент поля скоростей: используя которые, выведенные приближённые формулы для углов и можно записать в виде

Следовательно для изменения углов иот момента времени t=t₁ до момента времени t=t₂ имеем следующие очень простые формулы:

Из этих формул нетрудно получить общеизвестный закон аберрации. Пусть свет от звезды идёт по направлению, строго перпендикулярному направлению движения Земли. Первый момент времени t=t₁ возьмём таким, чтобы фронт световой волны находился на столь большом удалении от Земли, чтобы для скорости эфира в точках этого фронта можно было считать, что предполагаем, что Земля движется в положительном направлении оси x с постоянной скоростью  . Второй момент времени t=t₂ возьмём в тот самый момент, когда волновой фронт дошёл до Земли, тогда

Следовательно, фронт, идущий от звезды плоской волны, поворачивается по приближению к Земле таким образом, что угол, составленной его нормалью с осью х, станет равным где  — скорость движения Земли, с — скорость света в покоящемся эфире. См. рис.

Наблюдателю на Земле будет казаться, что звезда сместилась на небе в сторону направления движения Земли на угол аберрации равный .

В 1880 г. Стокс опубликовал важное дополнение к изложенной нами сейчас работе 1845 г. Он обратил внимание на то, что в работе 1845 г. он проследил лишь за изменениями направления нормали к фронту волны, по мере распространения волны от звезды до Земли. Когда эфир покоится, траектории волновых нормалей совпадают с траекториями лучей. Когда эфир движется, с заданным полем скоростей, траектории волновых нормалей и траектории лучей перестают совпадать.

Обозначим через n — единичный вектор нормали в некоторой точке фронта волны в момент времени t и через s — единичный вектор направления луча в этой точке волнового фронта, рассматриваемого в момент времени t . Пусть  — углы вектора нормали n с осями x, y, причём все эти углы мало отличаются от прямых

Стокс считает, что где v(u, — поле скоростей эфира в рассматриваемой точке волнового фронта в момент времени t. Следовательно: или окончательно Приращение этих углов за интервал времени t, t+dt, когда dz= - cdt, таким образом равно

Выше мы показали, что

так что окончательно

Принимая гипотезу Стокса о потенциальности поля скоростей эфира, таким образом, заключаем, что правые части приведенных равенств равны нулю.

Итак, изменение направления луча по мере распространения равно нулю; лучи света в увлекаемом Землей эфире - приближенно прямолинейные.

4.8. Механический принцип относительности. Инвариантность относительно преобразований Галилея.

Галилей еще в XVII в. сформулировал принцип относительности в механике, или механический принцип относительности.

Механический принцип относительности. Механические явления во всех инерциальных системах отсчета происходят совершенно одинаково. Нельзя с помощью механических экспериментов, производимых в движущейся инерциальной системе отсчета, определить скорость ее движения (если не производить наблюдений тел из системы отсчета, относительно которой мы хотим определить скорость движения).

Покажем, что уравнения механики математически записываются совершенно одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Для простоты рассмотрим движение материальной точки, т.е. тела, размерами которого можно пренебречь в рассматриваемой ситуации. Пусть это движение описывается в двух каких-нибудь инерциальных системах - в “покоящейся” системе K и в “движущейся” системе K'. Пусть в начальный момент времени декартовы оси этих систем совпадали и пусть система K движется вдоль оси x с постоянной скоростью v.

Координаты точки M, отсчитываемые относительно движущейся и относительно покоящейся систем отсчета K и K' связаны следующими формулами преобразования:

которые называют формулами преобразования Галилея. Время при преобразованиях Галилея никак не преобразуем, так что следует положить, что .

Эту формулу тоже будем относить к формулам преобразования Галилея.

Рассмотрим движение материальной точки M массы m относительно той и другой систем, происходящее, к примеру, вдоль оси x, под действием некоторой заданной силы F (действующей только вдоль оси x). Тогда в системах K и K' имеем следующие уравнения движения:

которые математически совершенно одинаковы (инвариантны). При этом одно уравнение получается из другого с помощью преобразований Галилея. Действительно, согласно этим преобразованиям:

так как очевидно dv/dt = 0 (скорость v постоянна).

Самыми фундаментальными объектами в физике являются точки и волны. Поэтому интересно посмотреть, а будет ли инвариантно относительно преобразований Галилея волновое уравнение, скажем, для простоты, одномерное волновое уравнение (уравнение Даламбера) для плоских волн, распространяющихся вдоль оси x. Пусть u = u(x,t) - волновая функция и c - скорость волны. Тогда имеем уравнение

Совершим в нем преобразование Галилея, другими словами - перейдем от независимых переменных x,t к переменным x',t', считая, что неизвестная волновая функция u теперь выражена в переменных x',t', т.е.

где

Таким образом,

Следовательно,

Далее,

Следовательно,

Подставим полученные выражения для вторых производных в исходное волновое уравнение. Тогда получим, что

или

Как видим, получили совсем не Даламбера, а другое уравнение (в которое входит v).

Таким образом, мы доказали, что одномерное волновое уравнение не инвариантно относительно преобразований Галилея.

Остановимся на выяснении физического смысла полученного результата. Для определенности представим себе обычные звуковые волны в воздухе. Они являются малыми возмущениями плотности и давления малых частиц воздуха, и в так называемом акустическом приближении (когда амплитуды этих возмущений малы) описываются волновым уравнением Даламбера

когда речь идет о плоских волнах, распространяющихся вдоль оси x.

Это уравнение, однако, математически описывает звуковую волну только в покоящемся воздухе. Если мы хотим описать звуковую волну в движущемся воздухе (движущемся равномерно прямолинейно со скоростью v вдоль оси x в отрицательном направлении оси x в лабораторной системе отсчета), то мы должны использовать не приведенное волновое уравнение, а только что выведенное более сложное уравнение

Таким образом, волновое уравнение для звука в движущейся среде отличается по виду от волнового уравнения для звука в покоящейся среде. И нет ничего удивительного в том, что волновое уравнение не инвариантно относительно преобразований Галилея. Мы неявно предположили, что исходная система K - это система отсчета, в которой среда (воздух) покоится.

Поясним сказанное подробнее. Пусть у нас имеется тело, движущееся со скоростью v вдоль оси x и пусть в этом теле распространяется волна в положительном или отрицательном направлении оси x.

Рассмотрим волну, распространяющуюся в положительном направлении оси x. Относительно взятой системы отсчета она имеет скорость c_дв = c + v. Таким образом, если форма волны в нулевой момент времени дается функцией f(x), которая может быть взята произвольной, то в момент времени t она будет описываться функцией

Найдем вид уравнения, которому удовлетворяет эта функция. Очевидно

Поэтому функция u удовлетворяет следующему уравнению

которое можно представить в виде

Подействуем на это уравнение справа и слева дифференциальным оператором

и получим уравнение

Следовательно, раскрывая скобки, имеем уравнение

члены со смешанной производной, пропорциональные c, взаимно сокращаются. Разделив на c², окончательно приходим к уравнению

которое в точности совпадет с уравнением, полученным выше.

Рассмотрим теперь волну, распространяющуюся в отрицательном направлении оси x. Относительно нашей системы отсчета волна будет двигаться со скоростью c_дв = c - v.

Если форма волны в нулевой момент времени t = 0 дается функцией g(x), которая может быть совершенно произвольной, то в момент времени t она будет описываться функцией

Найдем вид уравнения, которому удовлетворяет эта функция. Очевидно

Поэтому имеем уравнение

которое можно записать в следующем виде

Подействуем на это уравнение справа и слева дифференциальным оператором

и получим уравнение

Следовательно, раскрывая скобки, имеем уравнение

члены со смешанной производной, пропорциональные c, взаимно сокращаются. Разделив на c², окончательно приходим к уравнению

т.е. в точности к такому уравнению, которое мы получили для волны, распространяющейся в положительном направлении оси x.

4.9. Электродинамический принцип относительности.

Инвариантность относительно преобразований Лоренца.

Оказывается,одномерное волновое уравнение все же остается инвариантным при переходе от системы отсчета К к системе отсчёта К’, но если воспользоваться не преобразованиями Галилея,а так называемыми преобразованиями Лоренца , которые имеют вид:

Теперь не только координата Х , но и время Т преобразуются .Докажем инвариантность . Снова рассмотрим функцию

где b=V/C. Тогда , дифференцируя её по t , получим

Следовательно ,

Далее , дифференцируя по t , получаем

Следовательно,

Подставим полученные выражения для вторых производных в исходное волновое уравнение Даламбера

Получим тогда уравнение

Таким образом , приходим к уравнению

слагаемые со смешанным вторым производным в обеих частях равенства сокращаются . Окончательно получаем уравнение

Следовательно , приходим к уравнению

т.е. в точности к исходному одномерному волновому уравнению Даламбера.

Итак , приходим к заключению , что волновое уравнение Даламбера инвариантно относительно преобразований Лоренца. Это важное математическое открытие в своё время сделал Лоренц, который ,однако, рассматривал не просто одноиерное волновое уравнение ,а уравнения Максвелла ,которые можно считать усложненным трехмерным “волновым уравнением”- для поперечных электромагнитных волн. Именно это математическое открытие позволило Лоренцу в 1904 г. Объяснить отрицательный результат экспериментов первого и второго порядков по V/C по обнаружению скорости V поступательного движения относительно эфира.

Отметим здесь ещё одну интересную возможную физическую интерпретацию полученного математического результата - с инвариантостью волнового уравнения относительно преобразований Лоренца.

Для большей определённости снова рассмотрим звуковые волны в воздухе в акустическом приближении . Эти волны можно рассматривать как самостоятельные физические объекты , ника не связанные со средой - воздухом , колебаниями которого они на самом деле являются . Среда теперь - совершенно другой физический объект , даже иной физической природы . Звуковые волны существуют сами по себе ,безо всякой среды. И этот новый физический объект -“ волны“ - поэтому совершенно естественно должен одинаково описываться во всех инерциальных системах отсчета , так как инерциальные системы отсчета не только механически , но и физически должны быть полностью равноправными.

В отношении звуковых волн в воздухе такая физическая интерпретация вполне возможна , но только о рамках акустического приближения , т.е. для волн очень малой (даже бесконечно малой) амплитуды . В случае звуковых волн конечной и большой амплитуды такая , казалось бы , самая простая и естественная интерпретация , разумеется , неправильна.

В специальной теории относительности обсуждаются не звуковые , а электромагнитные волны. Средой , подобной воздуху , для звуковых волн здесь является , правда , пока ещё экспериментально не открытая особая гипотетическая среда , называемая эфиром. Но эфир экспериментально не обнаружен , и вообще в настоящее время в современной фундаментальной физике электромагнитного поля ещё многое остаётся неясным. Поэтому можно считать , как это делают в настоящее время, описанную физическую интерпретацию единственно приемлемой , как это провозгласил Эйнштейн в 1905 г., что эфира в природе не существует.

Как выше отмечалось , оптические и электродинамические эксперименты , проведённые на Земле с целью обнаружения и измерения поступательной скорости V Земли первого и второго порядков малости по величине V/C=10^-4 , дали отрицательный результат . В частности , отрицательный результат дал и эксперимент Майкельсона-Морли с двухплечевым интерферометром . Никаких эффектов влияния поступательной скорости движения Земли все эти эксперименты не выявили .Скорость Земли в указанных эксперпиментах измерить не удалось.

Таким образом , к концу Х|Х века в результате всех этих экспериментальных неудач удалосьобобщить механический принцип относительности Галилея на электромагнитные ( в том числе и оптические ) явления и провозгласить общефизический принцип относительности, который иногда называют принципом относительности Эйнштейна.

Электродинамический принцип относительности .

Все физические явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Нельзя с помощью каких-либо физических экспериментов в движущейся инерциальной системе тосчета определить скорость ее движения , если не производить наблюдений тел из системы отсчета , относительно которой мы хотим определить скорость движения.

Математическое свойство инвариантности относительно преобразований Лоренца основных уравнений электродинамики - уравнений Максвелла использовалось Лоренцем в 1895 г. И в 1904 г. Для объяснения , почему с помощью электродинамических экспериментов нельзя определить скорость поступательного движения Земли в эффектах первого и второго порядков малости ( 1895 г.) и вообще во всех эффектах (1904 г. ).

4.10. Обсуждение понятия скорости тела и

построения полей времени в покоящейся и движущейся системах отсчета.

Казалось бы , понятие скорости тела , как пройденного пути за определенный промежуток времени :

настолько ясно , что не требует вообще никаких пояснений . Конечно , если тело движется неравномерно , то надо вводить в рассмотрение мгновенную скорость

но не об этом сейчас речь . Вместе с тем в связи с данным определением скорости необходимо , однако , обсудить весьма существенный физический вопрос.

Чтобы лучше представиь себе ситуацию , рассмотрим конкретный эксперимент , проводимый для измерения скорости тела . Пусть имеется движущееся тело и пусть оно в какой-то момент времени проходит или пролетает через то место N , где мы сами сейчас находимся . Засечём этот момент t1 на имеющемся у нас измерителе времени - часам .

Предположим , что мы находимся в месте N и наблюдаем из этого места за нашим движущимся телом . Через некоторое время , скажем в момент времени t2 , зарегистрованным по нашим часам , тело проходит через другое место M , расстояние до которого S2-S1 от нашего места N , мы можем измерить заранее. Тогда скоростью тела мы назовем отношение

Вроде бы всё совершенно ясно . Но это не так . Мы должны учесть , что когда мы увидели , что тело проходит через место M ,мы на самом деле просто зарегистрировали световой сигнал , приходящий к нам из места M , свидетельствующий о совпадении тела и места M. Так как сигнал распространяется с некоторой конечной скоростью С , то мы должны это учесть и ввести поправку на время распространения сигнала от места M до места N , т.е. поправку на время запаздывания .

Таким образом , мы должны в формуле для скорости V взять не момент t2 , непосредственно экспериментально наблюдаемый и зафиксированный по нашим часам , а момент

и скоростью тела должны на самом деле назвать величину

которая лишь незначительно больше величины V , если тело движется не слишком быстро .