Реферат. Мысленный эксперимент в современной физике(Альберт Эйнштейн). Что такое мысленный эксперимент
 Скачать 23.94 Kb.
|
|
Что такое мысленный эксперимент? Мысленный эксперимент – вид познавательной деятельности, в которой ключевая для той или иной научной теории ситуация разыгрывается не в реальном эксперименте, а в воображении. Чаще всего мысленный эксперимент используется в таких науках как биология, физика и философия. Зачастую мысленный эксперимент производится тогда, когда мы не имеем возможности проверить тот или иной факт экспериментально в лаборатории. Так как мы тема посвящена мысленным экспериментам Альберта Эйнштейна, то соответственно мысленный эксперимент стоит рассмотреть относительно физики. В ней эксперимент зачастую напоминает доказательство теоремы методом от противного в математике, когда некоторое положение физической модели или схемы сначала отвергается, а затем путём преобразования модели мы приходим к противоречию с тем или иным принципом, который считается безусловно истинным. Альберт Эйнштейн не первый человек, кто использовал мысленный эксперимент в физике, однако именно его достижения помогли возвести мысленный эксперимент в статус краеугольного камня методологии теоретической физики. Стоит однако уточнить, что это утверждение (о том что мысленный эксперимент стал краеугольным камнем) не утверждает, что мысленный эксперимент является более надежным при доказательстве, чем лабораторные эксперименты. Многие из наиболее известных мысленных экспериментов А. Эйнштейна были все-таки основаны на данных реальных экспериментов. Наиболее значимые мысленные эксперименты А. Эйнштейна Преследуя луч света В конце жизни Эйнштейн вспоминал: «... парадокс, который я осознал уже в шестнадцать лет: если я буду преследовать луч света со скоростью c (скорость света в вакууме), я должен наблюдать такой луч света, как электромагнитное поле на покой, хотя и колеблющийся в пространстве. Однако, похоже, этого не существует ни на основании опыта, ни согласно уравнениям Максвелла. С самого начала мне казалось интуитивно ясно, что с точки зрения такого наблюдателя все должно происходить по тем же законам, что и для наблюдателя, который относительно Земли находится в состоянии покоя. Ведь как первый наблюдатель должен знать или уметь определять, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения? Видно, что в этом парадоксе уже содержится зародыш специальной теории относительности.» Воспоминания Эйнштейна о его юношеских размышлениях широко цитируются из-за намеков, которые они дают на его более позднее великое открытие. Однако Джон Д. Нортон заметил, что воспоминания Эйнштейна, вероятно, были окрашены полувековой историей прошлого. Однако как бы ни был окрашен юношеский мысленный эксперимент, его реальная важность заключалась в том, что Эйнштейн интуитивно ощутил ошибочность теорий излучения света, над которыми он работал в течение нескольких лет до 1905 года. Магнит и проводник В самом первом абзаце основополагающей работы Эйнштейна 1905 года, посвященной специальной теории относительности, он пишет об электродинамике Максвелла, которая в применении к движущимся телам приводит к асимметриям, и вспоминает взаимодействие магнита и проводника. Размышления Эйнштейна об этом эксперименте стали решающим моментом на его долгом и извилистом пути к специальной теории относительности. Хотя уравнения, описывающие два сценария, совершенно разные, нет никакого измерения, которое могло бы различить, движется ли магнит, движется проводник или и то, и другое. Эйнштейну нужно было расширить относительность движения, которое он воспринимал между магнитом и проводником в вышеупомянутом мысленном эксперименте, до полной теории. Однако в течение многих лет он не знал, как это можно сделать. Точный путь, по которому Эйнштейн решил эту проблему, неизвестен. Однако мы знаем, что Эйнштейн провел несколько лет, исследуя эмиссионную теорию света, столкнувшись с трудностями, которые в конечном итоге заставили его отказаться от этой попытки. Это решение в конечном итоге привело к развитию им специальной теории относительности как теории, основанной на двух постулатах, в которых он мог быть уверен. Выраженные в современном физическом словаре, его постулаты были следующими: 1. Законы физики принимают одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. 2. В любой данной инерциальной системе отсчета скорость света c одинакова независимо от того, излучается ли свет телом в состоянии покоя или телом в равномерном движении. Поезда, набережные и молнии В своей популярной работе «Относительность: специальная и общая теория» Эйнштейн переводит формальное представление своей статьи в мысленный эксперимент с использованием поезда, железнодорожной насыпи и вспышек молний. Суть мысленного эксперимента заключается в следующем: 1) Наблюдатель М стоит на набережной, в то время как наблюдатель М' едет на быстро путешествующий поезде. В тот момент, когда M и M' совпадают в своих положениях, молния ударяет в точки A и B, равно удаленные от M и M'. 2) Свет от этих двух вспышек достигает M одновременно, из чего M делает вывод, что болты были синхронными. 3) Из сочетания первого и второго постулата Эйнштейна следует, что, несмотря на быстрое движение поезда относительно набережной, M' измеряет точно такой же скорости света, как это делает М. Поскольку M ' находился на одинаковом расстоянии от A и B, когда ударила молния, тот факт, что M' получает свет от B перед светом от A, означает, что для M ' болты не были синхронными. Вместо этого болт в точке B ударил первым. В соответствии с анализом, данным в его статье по специальной теории относительности 1905 года и в своих популярных трудах, Эйнштейн открыл относительность одновременности, размышляя о том, как часы могут быть синхронизированы с помощью световых сигналов. Мысленные эксперименты в общей теории относительности Ускоряющиеся лифты В своем обзоре 1920 года Эйнштейн рассказал о происхождении своих мыслей о принципе эквивалентности: «Когда я был занят (в 1907 году) написанием резюме моей работы по специальной теории относительности, мне также пришлось попытаться изменить ньютоновскую теорию гравитации, чтобы вписать его законы в теорию. Хотя попытки в этом направлении показали осуществимость этого предприятия, они меня не удовлетворили, поскольку должны были быть основаны на необоснованных физических гипотезах. В тот момент у меня возникла самая счастливая мысль в моей жизни в следующей форме: в примере, который стоит рассмотреть, гравитационное поле имеет относительное существование только в манере, подобной электрическому полю, создаваемому магнитоэлектрической индукцией. Потому что для наблюдателя, падающего в свободном падении с крыши дома, во время падения - по крайней мере, в непосредственной близости от него - нет гравитационного поля. А именно, если наблюдатель отпускает какие-либо тела, они остаются относительно него в состоянии покоя или равномерного движения, независимо от их особой химической или физической природы. Следовательно, наблюдатель вправе интерпретировать свое состояние как «состояние покоя».» Позднее Эйнштейн усовершенствовал свой мысленный эксперимент, рассмотрев человека внутри лифта, свободно падающего в космосе. Находясь в свободном падении, человек считал себя невесомым, и любые незакрепленные предметы, которые он вынимал из карманов, плавали рядом с ним. Посредством этого мысленного эксперимента Эйнштейн обратился к проблеме, которая была настолько хорошо известна, что ученые редко ее беспокоили или считали ее загадочной: объекты обладают «гравитационной массой», которая определяет силу, с которой они притягиваются к другим объектам. У объектов также есть «инерционная масса», которая определяет соотношение между силой, приложенной к объекту, и тем, насколько он ускоряется. Ньютон указал, что, даже если они определяются по-разному, гравитационная масса и инертная масса всегда кажутся равными. Но до Эйнштейна никто не придумал хорошего объяснения того, почему это должно быть так. Из соответствия, выявленного в его мысленном эксперименте, Эйнштейн пришел к выводу, что «экспериментально невозможно обнаружить, ускоряется ли данная система координат или ... наблюдаемые эффекты вызваны гравитационным полем». Это соответствие между гравитационной массой и инертной массой является принципом эквивалентности. Расширение его мысленного эксперимента с ускоряющимся наблюдателем позволило Эйнштейну сделать вывод, что «лучи света распространяются криволинейно в гравитационных полях». |