В 1873 году шотландский физик Джеймс Кларк Максвелл написал двухтомный фундаментальный труд “Трактат об электричестве и магнетизме” в котором он изложил теорию электродинамики и окончательно объединил электричество и магнетизм, показав, что они имеют одну и ту же природу: электричество порождает магнетизм и, наоборот, магнетизм – электричество. В нем выводились знаменитые уравнения электродинамики, которые позже стали называться уравнениями Максвелла. Его труд имело такое же значение для электродинамики, как труд Исаака Ньютона “Математические начала натуральной философии” для механики.
Но как было показано в статье “Что важного не говорят на курсах электродинамики?” что в электродинамике не соблюдается принцип относительности Галилео Галилея. Из-за чего приходится выбирать строго определенные системы отчета, относительно которых источник магнитного поля покоился бы. Это не позволяло ряд решать задач, например, в которых имелось два источника магнитного поля, причем один из них двигается относительно другого.
Работы по устранения этого недостатка уже начались сразу же после его обнаружения. Первая работа на эту тему была написана в 1887 году немецким физиком Вольдемаром Фогтом (Фохтом), в которой он на основываясь на упругой теории света, показал, что в движущейся системе координат математически удобно вводит местное время t’. При этом начало отсчета времени t’ рассматривалось как линейная функция от пространственных координат, а сама единица времени считалась неизменной. Но эта работа Фогта осталась незамеченной в научной среде.
Лишь в 1892 и 1895 годах подобные преобразования появляются в работах нидерландского физика-теоретика Хендрика (часто пишут Гендрика) Лоренца в которых было показано в дополнении формального пониманию удобства введения движущейся системе местного времени t’ результаты, к которым это приводит. В частности, он показал, что при учете движения электронов в эфире (в то время теория о всенесущем эфире была основополагающей в физике), все наблюдаемые эффекты первого порядка относительно v/c (v – скорость поступательного движения вещества; c – скорость света) могут количественно описаны теорией. В частности, теория объясняла отсутствие в первом порядке влияние на электромагнитные явления движения материи и наблюдателя с одинаковой скорости относительно эфира.
Но отрицательный результат интерференционного опыта, проведенного 1887 году американским ученными Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Моли для обнаружения эффекта второго порядка относительно v/c дал отрицательный результат, что создало большие сложности для теории. Впоследствии отрицательный результат опыта Майкельсона-Моли объяснили отсутствием в космическом пространстве эфира. Данный опыт был неоднократно повторен. Результат был один и тот же.
Для устранения этих сложностей Лоренц и независимо от него ирландский физик Джордж Фитцджералд (Фицджеральд) предложили, что все тела, движущиеся поступательно со скоростью v, а именно в направлении движения размер тела уменьшается на множитель:
Само χ ими не было определено.
В доказательство этой гипотезы Лоренц указывает на возможность изменения молекулярных сил при поступательном движении. Действительно, если предположить, что молекулы находятся в положении равновесия и силы между ними носят чисто электростатический характер, то из теории следует, что в движущейся системе равновесие наступит тогда, когда все расстояния между частицами в направлении движения уменьшится на множитель
а в перпендикулярных направлениях к скорости тела не изменяются.
Далее возникла задача органически ввести “лоренцево сокращение” в теорию. Здесь стоит упомянуть ирландского физика-теоретика и математика Джозефа Лармора, который еще в 1900 году вывел формулы, которые известны нам под названием преобразование Лоренца. В обзорной статье, написанной Лоренцем в 1903 году, где он предположил, что если месса неэлектромагнитного происхождения так же зависит от скорости, как масса электромагнитная, то можно теоретически доказать, что при наличии молекулярного движения единственным следствием поступательного движения будет упомянутое его сокращение. Это заключение оказалось в дальнейшем очень плодотворным.
Лоренц также раньше всех доказал инвариантность (неизменяемость) уравнений Джеймса Максвелла относительно преобразования координат вида:
при условии подходящего выбора выражений для напряженности электрического и магнитного полей в штриховой системе. Это, однако, было строго доказано только для пространств без зарядов. Члены, содержащие плотность зарядов и ток в штриховой системе у Лоренца, отличаются от таковых в движущих системах, так как плотность зарядов и ток были им не вполне правильно преобразованы. Поэтому две системы расчетов, межу которыми преобразуются координаты по указанным выше формулам как равноправными можно только с большим пренебрежением.
В работе французского математика, механика, физика, астронома и философа Анри Пуанкаре были заполнены формальные проблемы, оставшиеся у Лоренца. Он высказал принцип относительности как всеобщее и строгое положение.
Поскольку уравнение Максвелла пустоты справедливы, то отсюда вытекает ковариантность (то есть уравнение не изменяют своей формы в различных системах координат) всех законов природы относительно преобразования Лоренца. Кстати, именно Пуанкаре впервые употребил термин “Преобразование Лоренца”, который впоследствии и закрепился в релятивисткой физики.
Пуанкаре также исправил лоренцевы формулы преобразования плотности зарядов и токов, сделав таким образом уравнения электронной теории ковариантными.
Основы новой теории относительности были доведены до известного завершения Альбертом Эйнштейном, и изложены им в статье “К электродинамике движущихся тел” написанной им 1905 году, где изложил основы специальной теории относительности
#максвелл #Джеймс максвелл #эйнштейн #Пуанкаре #лоренц