На протяжении двух веков научным сообществом считалось, что применение на практике ньютоновской механики дает гарантии правильности решения многих задач. Непоколебимость основных постулатов классической механики существовали в рамках законов Исаака Ньютона и относительности Галилея. Однако с развитием новых знаний стали известны электромагнитные процессы. В это время основную роль в развитии релятивистской механики сыграли открытия в области электромагнетизма, где выявились существенные ограничения использования классических постулатов механики Ньютона и его последователей.
Рисунок 1. Постулаты теории относительности Эйнштейна. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Центральное место в зарождении квантовой теории физических процессов и его релятивистского направления стали представления об электромагнитных магнитных полях и его свойствах. Они представляются как совершенно особый вид материи, однако не могут соответствовать ньютоновским законам классической механики. Теперь их принято выражать в виде специальных математических уравнений, сформулированных Максвеллом. Они отвечали принципиально иным условиям и требованиям и основывались на классической теории электромагнетизма.
Недостатки теории электромагнитного поля Максвелла
Рисунок 2. Уравнения Максвелла. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Через некоторое время удалось выделить сразу несколько основных недостатков в теории электромагнитного поля, представленной ученым Максвеллом:
- теория плохо совмещалась с принципами относительности движения в классической физике из-за неинвариантных уравнений по преобразованиям Галилея;
- истинная картина физической реальности не полностью совпадала с теоретическими рассуждениями, что порождало различные противоречивости.
Эйнштейн попытался внести свой вклад в достижении реальных показателей теории электромагнитных полей, поэтому рассуждал со своей позиции теории относительности. Отмечалось, что Максвелл верно в целом описывал поведение и взаимодействие заряженных частиц, однако теоретического оформления увиденных опытов практически не было представлено, что казалось большой ошибкой при полноценном исследовании. Максвелл упускал из виду теорию подобных заряженных частиц, поэтому непонятно на каком уровне они могли рассматриваться. Если не было обоснования, то стоило применять основы классической механики, а частицы рассматривать в виде материальных точек, которые располагались бы в пространстве дискретным образом. Однако это полностью противоречило понятию магнитного поля, поэтому теория нуждалась в доработке.
В классической механике объектами изучения были точки пространства, моменты времени, материальные точки. Однако одновременно они не могли рассматриваться как единый объект изучения. Поэтому Эйнштейн начал опровергать такие противоречия в своей теории относительности. Согласно ей, объектами выступают физические величины, как единый объект изучения теории относительности, в том числе пространство, время, материя и движение.
Реальностью в физическом воплощении можно представить только сами события. Они предполагают наличие четырех измерений, так как все законы бытия формируются вокруг четырехмерного пространства и проистекают в нем.
Появление релятивистской механики
После нескольких неудачных попыток доработать преобразования Галилея Максвеллом уравнения показали, что они неинвариантны им. Свои преобразования пытался ввести Лоренц, чтобы видоизменить классические правила механики на новый уровень уравнений Максвелла, однако это выглядело неестественным образом и все преобразования почти не имели физический смысл.
Затем Эйнштейн дедуктивным методом построил теорию. Она могла наполнить смыслом преобразования Лоренца, и теория относительности была полностью сформирована. Его теория относительности стала объединять электромагнитную теорию Максвелла и классическое представление механики Ньютона. Подобный метод преобразований вошел в историю под названием релятивистская механика. Механика Эйнштейна может изучать движение материальных объектов при сверхбольших скоростях, сопоставимых со скоростью распространения света. Он равен 300000 километрам в секунду. Также все процесс и явления могли фиксироваться в условиях безвоздушной среды (вакуума).
Рисунок 3. Преобразования Лоренца. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В основе релятивистской механики лежит несколько принципов:
- принцип относительности движения;
- принцип постоянства скорости света в вакууме.
При определении принципа относительности движения имеет смысл равноправия инерциальных систем отсчета, где действует закон инерции. В этом случае, любая другая система отсчета, которая движется поступательным и равномерным способом относительно инерциальной системы отсчета сама является такой же инерциальной системой.
Следует помнить, что поступательным движением принято считать такое движение, когда все его точки в данный момент времени движутся одинаково. Равномерным прямолинейным движением называют такое движение тела, когда оно осуществляется по направлению и модулю постоянно. Тогда любое тело с подобными характеристиками скорости будет проходить за одинаковое количество времени определенный путь, расстояние.
При рассмотрении принципа постоянства скорости света в вакууме необходимо учитывать такую постоянную величину в любых расчетах. Скорость света принято обозначать в формулах буквой c. Известно, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника света. Из этого следует, что световые волны имеют максимальную скорость распространению любых взаимодействий в известном физическом мире.
Релятивистские эффекты
Рисунок 4. Релятивистские эффекты. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Существует ряд релятивистских эффектов теории механики от Эйнштейна:
- пространственные размеры изучаемого объекта укорачиваются с ростом механической скорости;
- время протекания процессов у объекта замедляется по определенной формуле с ростом механической скорости объекта;
- масса объекта увеличивается по определенной формуле с ростом механической скорости объекта.
