Глава 1. Введение

Восприятие пространства-времени

О структуре мира рассуждения велись еще с ХVI века. И в каждый период существования данного вопроса ученые по-разному отвечали на него. Но отказ от старого геоцентризма произошел фактически во времена Галилея, т.е. было признано, что небеса бесконечны.

Земля- простая песчинка космической пыли.

Из-за отсутствия видимых ориентиров было труднее выявить реальный возраст Земли, т.к. для этого надо было чтобы человек случайно заинтересовался жизнью или даже вулканами.

На первых стадия человеческого интереса к космическим далям пространство и время оставались независимыми друг от друга. И лишь в конце XIX века и начале ХХ века под влиянием биологии была выявлена необратимая связь всего существующего. Таким образом солидарность и последовательность существа зависит от их конкретного места в общем генезисе, время и пространство органически соединяются, чтобы вместе создавать ткань универсума.

Глава 2. Развитие естествознания в ранние и средние века

Научная революция Коперника.

Николай Коперник (1473-1543)-известный ученый средневековья, написавший в 1530 году знаменитое сочинение «Малый Комментарий». В этом труде он изложил собственную теорию, по которой не Солнце вращалось вокруг Земли , а наоборот. Такая теория была революционной не только с точки зрения церкви- Земля и человек перестали быть главными во вселенной, - но и с точки зрения механики- никогда еще относительность движения не использовалась для решения конкретных задач. Коперник упростил схему планетной системы, по которой суточное движение неба объяснялось вращением Земли вокруг своей оси, годичное- обращением вокруг Солнца., а попутное движение звезд- разной угловой скоростью движения планет на своих орбитах.

Система Коперника была гораздо точнее птолемеевской. Кроме того, изменения системыне повлияли на результаты вычислений. Такая система получила название гелиоцентрической.

Таким образом труд Коперника стал основой для всей будущей науки. А чтобы построить систему Коперника, необходимо знать отношения расстояний всех планет до Солнца к среднему расстоянию от Земли до Солнца. Среднее расстояние от Земли до Солнца было названо астрономической единицей ( ок. 150 млн. км).

Остальные расстояния определяются по наблюдениям за планетами.

Глава 3. Механика Ньютона и ее влияние на формирование теоретической физики. Законы сохранения в механике.

Вывод законов Ньютона из принципа сохранения импульса.

Для изолированной системы двух частиц

дифференцируя это уравнение по времени, получим

Ускорения общих частиц обратно пропорционально их инертным массам, т.е.

Пусть сила , с кот. частица А действует на частицу В. Тогда

Мы получили принцип равенства действия и противодействия , называемый третьим законом Ньютона.

Наконец, для одной изолированной частицы имеем одновременно

Это закон инерции, или первый закон Ньютона.

Второй закон Ньютона можно записать также в виде

Если сила действует на частицу в течение конечного промежутка времени от 0 до t, то

Интеграл в левой части формулы называется импульсом силы , кот. равен изменению импульса частицы ( тела), кот. происходит в результате действия приложенной силы.

Глава 4. Элементы теории поля. Электромагнитные волны.

Уравнение Максвелла

В отсутствие диэлектриков и магнетиков уравнения Максвелла имеют вид:

Первые два уравнения Максвелла- это теорема Гаусса для электрических полей. Третье- закон электромагнитной индукции Фарадея и четвертое – закон Ампера, обобщенный Максвеллом.

1) Поток вектора напряженности электрического поля через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, охватываемых этой поверхностью ( - электрическая постоянная).

2) Поток вектора магнитной индукции сквозь произвольную замкнутую поверхность S равен нулю.

Это уравнение является следствием того, что свободных магнитных зарядов в природе не существует.

3) Циркуляция вектора напряженности электрического поля по произвольному замкнутому контуру равна скорости изменения магнитного потока, взятого с обратным знаком сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

4) Циркуляция вектора магнитной индукции по замкнутому контуру равна полному току ( ), пронизывающему поверхность , ограниченную этим контуром.

Уравнения Максвелла имеют следующий смысл:

1. обобщенный закон Кулона, связывающий электрическое поле с его источниками, электрическими зарядами.

2. Математическое выражение факта отсутствия изолированных магнитных зарядов: силовые линии магнитного поля замкнуты.

3. Изменения магнитного поля порождает электрическое.

4. Магнитное поле создается электрическим током или изменяющимся электрическим полем.

Уравнения Максвелла выражают основные законы электромагнетизма и являются такими же необходимыми, как и законы Ньютона.

Глава 5. Пространство, время и материя в контексте культуры.

Преобразования Галилея и Лоренца.

Рассмотрим математические соотношения: связывающие величины в одной инерциальной системе отсчета с эквивалентными величинами в другой инерциальной системе отсчета.

Пусть в начальный момент времени системы отсчета S и S’ совпадают и система S’ движется вправо равномерно и прямолинейно (v= const). Рассмотрим, что происходит в точке Р. Т.к. системы отсчета первоначально совпадают, то через промежуток времени t’ система отсчета S’ сдвинется на расстояние vt'. Следовательно, в момент t’ получим x=x’+vt’; y=y’, z=z’. Наконец, т.к. время в физике Галилея является абсолютным, показания часов в обеих системах отсчета совпадают: t=t’.

В итоге получаются формулы преобразования Галилея: x=x’+vt’, y=y’, z=z’, t=t’. (*)

Теперь пусть точка Р движется со скоростью u и имеет компоненты в системе S’: U’x, U’y, U’z, а в системе S: Ux, Uy, Uz по определению U’x=dx’/dt’; U’y= dy’/dt’; U’z=dz’/dt’ .

Их связь с компонентами скорости в системе S можно найти , продифференцировав соотношения (*). Для Ux получим Ux=dx/dt=d(x’+vt’)/dt’=Ux’+v; для других компонентов скорости Uy=U’y; Uz=Uz’. Мы получили галилеевы формулы преобразования скоростей, кот. справедливы только при скоростях , значительно меньших скорости света С.

Преобразования Лоренца.

Они были предложены для объяснения отрицательного результата эксперимента Майкельсона - Морли и для придания одинакового вида уравнениям Максвелла во всех инерциальных системах отсчета.

Эйнштейн предположил , что все физические законы не должны меняться от преобразований Лоренца. Для того , чтобы наступила гармония между уравнениями Ньютона и Максвелла нужно, чтобы масса (m) в уравнении Ньютона определялась соотношением

, где - масса покоя, v-скорость движения тела, с - скорость света.

Формула преобразования скорости имеет вид:

Из последней формулы следует, что при скоростях , малых по сравнению со скоростью света, это соотношение переходит в классическую формулу сложения скоростей.