Страница 231 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. Что такое мировой эфир? Какими свойствами он обладает?

1. Мировой эфир (или светоносный эфир) — это гипотетическая, ныне отвергнутая наукой, всепроникающая среда, которая была введена в физику в XVII-XIX веках для объяснения распространения света и других электромагнитных волн.

В то время, когда была популярна волновая теория света, предложенная Христианом Гюйгенсом, учёные по аналогии с другими известными волнами (например, звуковыми или волнами на воде) предполагали, что для распространения световых волн также необходима среда-носитель. Считалось, что эта среда, названная эфиром, заполняет всё мировое пространство, включая вакуум, и проникает во все тела. Она должна была служить абсолютной системой отсчёта, относительно которой можно было бы измерить скорость любого движения.

Для того чтобы соответствовать наблюдаемым явлениям, мировой эфир должен был обладать набором весьма противоречивых свойств:

• Абсолютная проницаемость и прозрачность: Эфир должен был заполнять всё пространство и проникать сквозь все тела, не создавая препятствий для их движения. Поскольку мы видим свет от далёких звёзд, эфир должен быть идеально прозрачным.
• Отсутствие сопротивления движению: Планеты и другие небесные тела движутся в пространстве миллиарды лет, не теряя скорости. Это означало, что эфир должен обладать чрезвычайно малой плотностью или не иметь массы вовсе, чтобы не оказывать никакого измеримого сопротивления (трения) движущимся в нём объектам.
• Чрезвычайно высокая упругость (жёсткость): Скорость распространения волн в среде зависит от её упругости (жёсткости) и плотности. Скорость волны $v$ можно выразить как $v = \sqrt{K/\rho}$, где $K$ — модуль упругости, а $\rho$ — плотность. Поскольку скорость света $c$ невероятно велика (около $3 \times 10^8$ м/с), а плотность эфира $\rho$ должна была быть ничтожно малой, его модуль упругости $K$ должен был быть колоссальным. Это означало, что эфир должен быть твёрже и жёстче стали.

Сочетание свойств — быть абсолютно проницаемым и одновременно сверхжёстким — является парадоксальным и было главной проблемой теории эфира. Попытки обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира (так называемый "эфирный ветер") в знаменитом опыте Майкельсона-Морли в 1887 году провалились, показав нулевой результат.

Окончательно от концепции мирового эфира отказались после создания Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности (1905), которая постулировала постоянство скорости света в вакууме для любого наблюдателя и показала, что для объяснения распространения электромагнитных волн никакая особая среда не требуется.

Ответ:

Мировой эфир — это гипотетическая упругая среда, которой, как предполагалось в физике до XX века, заполнено всё мировое пространство и которая служит для переноса света и электромагнитных взаимодействий.

Предполагаемые свойства эфира были противоречивы: он должен был быть одновременно абсолютно прозрачным, не оказывать сопротивления движению тел (иметь сверхмалую плотность) и при этом обладать колоссальной упругостью и жёсткостью, большей чем у стали, для обеспечения огромной скорости распространения света. Существование эфира было опровергнуто опытом Майкельсона-Морли и стало ненужным с появлением специальной теории относительности.

2. Какие способы были предложены учёными для того, чтобы ликвидировать противоречия между механикой и электродинамикой?

Противоречие между классической механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла возникло в конце XIX века и стало одной из величайших проблем в физике. Суть противоречия заключалась в следующем:

• Классическая механика основывалась на принципе относительности Галилея, согласно которому законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Из этого принципа следовал классический закон сложения скоростей. Например, если вы движетесь со скоростью $v$ и бросаете объект со скоростью $u$ в том же направлении, его скорость относительно неподвижного наблюдателя будет $v + u$. В этой теории нет предельной скорости.
• Электродинамика Максвелла, описывающая электромагнитные явления, предсказывала, что скорость света в вакууме ($c$) является фундаментальной константой и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости наблюдателя. Это напрямую противоречило закону сложения скоростей Галилея.

Для разрешения этого фундаментального конфликта учеными было предложено несколько способов и гипотез.

1. Гипотеза светоносного эфира.
Наиболее популярной идеей было предположение о существовании особой, всепроникающей и неподвижной среды — светоносного эфира. Считалось, что свет, будучи электромагнитной волной, распространяется именно в этой среде, и скорость света $c$ постоянна только в системе отсчета, связанной с эфиром. В любой другой системе, движущейся относительно эфира (например, Земля), измеренная скорость света должна была бы зависеть от направления движения. Это явление назвали «эфирным ветром». Однако многочисленные и очень точные эксперименты, самым известным из которых является эксперимент Майкельсона — Морли (1887 г.), не смогли обнаружить «эфирный ветер». Результат был отрицательным: скорость света оказалась одинаковой во всех направлениях, что ставило под сомнение саму идею эфира.

2. Гипотеза о сокращении длины (гипотеза Лоренца — Фицджеральда).
Чтобы спасти теорию эфира и объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона — Морли, физики Джордж Фицджеральд и Хендрик Лоренц выдвинули смелую гипотезу. Они предположили, что все тела, движущиеся сквозь эфир со скоростью $v$, сокращаются в направлении движения. Величина этого сокращения, по их мнению, была равна $L = L_0 \sqrt{1 - v^2/c^2}$, где $L_0$ — длина покоящегося тела. Такое сокращение одного из плеч интерферометра Майкельсона в точности компенсировало бы ожидаемую разность времен прохождения света, делая «эфирный ветер» ненаблюдаемым. Лоренц также ввел понятие «местного времени» и разработал математические преобразования (преобразования Лоренца), которые оставляли уравнения Максвелла неизменными при переходе от одной инерциальной системы к другой. Однако он продолжал считать эти эффекты реальными физическими взаимодействиями с эфиром, а не фундаментальными свойствами пространства и времени.

3. Специальная теория относительности (СТО).
Кардинальное решение проблемы предложил Альберт Эйнштейн в 1905 году. Он отказался от идеи эфира и построил свою теорию на двух простых, но революционных постулатах:

1. Принцип относительности: Все законы физики (а не только механики) одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
2. Принцип постоянства скорости света: Скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости движения источника или наблюдателя.

Приняв эти два постулата, Эйнштейн показал, что для их совместного выполнения необходимо коренным образом пересмотреть классические представления о пространстве и времени, отказавшись от их абсолютности. Из постулатов СТО логически вытекали преобразования Лоренца, но уже не как результат взаимодействия с эфиром, а как фундаментальное свойство самого пространства-времени. Это привело к таким следствиям, как относительность одновременности, замедление времени и сокращение длины для движущихся объектов, а также к эквивалентности массы и энергии ($E=mc^2$). Таким образом, СТО не только разрешила противоречие, но и объединила механику и электродинамику в единую непротиворечивую картину, где классическая механика является лишь частным случаем релятивистской механики при малых скоростях.

Ответ: Для разрешения противоречий между механикой и электродинамикой были предложены следующие основные способы:

• Введение гипотезы о существовании неподвижной среды — светоносного эфира, — относительно которой скорость света постоянна. Эта гипотеза была опровергнута экспериментально.
• Выдвижение гипотезы Лоренца — Фицджеральда о том, что тела сокращаются в направлении своего движения сквозь эфир, что объясняло невозможность его обнаружения.
• Создание Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности, которая отвергла концепцию эфира и изменила фундаментальные представления о пространстве и времени, постулировав универсальность законов физики и инвариантность скорости света.