Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
меняться со временем. При этом, как записано в уравнениях Максвелла,
меняющееся во времени электрическое поле дает вклад
Специальная теория относительности
43
в магнитное поле. Кроме того, магнитное поле создается электрическим
током. Аналогично, меняющееся во времени магнитное поле приводит к
появлению электрического поля. Поля связаны вместе, поэтому изменение
одного во времени приводит к появлению источника для другого. Изменение
во времени плотности зарядов или токов в любой ограниченной области
пространства приводит к распространению полей в пустое пространство,
причем скорость распространения полей равна скорости света. Свет является
ничем иным, как электромагнитным возмущением, как радиоволны, как
рентгеновские лучи и другие части электромагнитного спектра.
Экспериментальные и теоретические работы, которые привели к этому
открытию, явились лишь одним из великих достижений в науке XIX столетия.
Специальная теория относительности
Хотя это и не главная тема книги, но пропустить ее невозможно по двум
причинам: ее открытие в начале XX века коренным образом изменило наши
взгляды на пространство и время, а кроме того, она существенно связана с
квантовой теорией в повседневной практике физики частиц. То, что
специальная теория относительности помещена в главу "Классические
основы", может показаться неправильным, поскольку это часто используемая
и предпочтительная часть "современной физики", но, тем не менее, мы
помещаем ее здесь. Мы будем понимать "классический" как "не
квантовомеханический".
Начнем с двух вопросов. Каким образом наблюдатель может определить такие
величины, как положение одной частицы относительно другой, скорость
частицы или ее ускорение? Какие соотношения будут выполняться между
описаниями, которые сделают наблюдатели в различных координатных системах
отсчета? Чтобы задать положение точки в пространстве, надо знать три
координаты: например, декартовы координаты точки - х, у, z. Но эти
координаты имеют смысл только тогда, когда выбрано начало координат и
определена ориентация осей. Выбор их произволен. Два наблюдателя,
использующие различные начала координат и различные ориентации
координатных осей, будут получать разные координаты для данной точки в
пространстве. Здесь нет ничего глубокого или противоречивого.
Предположим, что два наблюдателя в данный момент не движутся друг
относительно друга, т. е. находятся в относительном покое. Относительно
каких величин они придут к согласию? Они согласятся относительно длины
вектора, проведенного от одной частицы к другой. Расстояние между парой
материальных точек является объективной величиной, не зависящей от выбора
начала системы координат или ориентации координатных осей. То же самое
можно сказать о величине вектора скорости, или вектора ускорения,
44
Глава 2
или вектора силы, или любого другого вектора. Безусловно, оба наблюдателя
согласятся друг с другом относительно направления, куда каждый из
векторов указывает, но их определение того, что это за направление, будет
конечно разным. Так, компоненты скорости могут быть равны их, иу, uz для
одного наблюдателя и и'х, и'у, u'z для другого. Но величина, равная их
сумме квадратов, будет одинакова для обоих наблюдателей, поскольку для
них одинакова величина скорости.
Картина становится более интересной, когда мы рассматриваем наблюдателей
в относительном движении. Обдумаем снова вопрос, к которому мы уже
обращались в этой главе, - в какой системе отсчета можно считать
справедливыми уравнения Ньютона? В данном обсуждении, говоря "уравнения
Ньютона", мы будем подразумевать, что силы, действующие на частицу со
стороны других частиц, зависят только от их взаимных мгновенных
расстояний. Это гипотеза о мгновенном действии на расстоянии. Как уже
говорилось, по крайней мере, для электромагнетизма, это уже не
справедливо. К этому мы еще вернемся. А в данный момент используем
гипотезу.
Начнем со специальной системы отсчета, которая неподвижна относительно
удаленных звезд и в которой многие звезды во Вселенной движутся как в
одну, так и в другую систему. В данный момент мы будем полагать, что
ньютоновский закон является точным в этой специальной системе отсчета. Из
этого закона мы получим замечательный факт. Если он справедлив в какой-то
одной системе отсчета, то он будет справедлив во всех системах отсчета,
движущихся равномерно и прямолинейно относительно специальной системы
отсчета. Вместе со специальной системой отсчета они будут образовывать
семейство инерциальных систем отсчета. Причина в следующем. Здравый смысл
подсказывает, что два наблюдателя, следящие за частицей с точки зрения
своих систем отсчета, будут получать для нее одинаковые ускорения, хотя и
разные скорости. Но закон Ньютона не включает скорости. Тот же здравый
смысл наводит на мысль, что расстояние между частицей и любой другой,
действующей на нее с силой, будет одинаково в обоих системах отсчета,
следовательно, в обоих системах силы должны быть одинаковы. Наблюдатели
