Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

положений равновесия. Если мы найдем причину этому различию, то объяснение оптической активности будет дано.

Из химии хорошо известно: если в молекуле имеется асимметрич­ ный атом углерода, то вещество может показать оптическую актив­ ность. Под асимметричным атомом углерода химики понимают атом

некоторая молекул'а, содержащая асимметричный атом углерода.

Всматриваясь в рисунки, мы видим, что поведение смещающихся электронов различно. В одном случае электроны атомов Л и D движутся одновременно от центра. Во втором случае при движении электронов Л к центру электроны D движутся от центра. Такие различия мы всегда найдем для системы атомов, не обладающих центром симметрии и плоскостью симметрии. Напротив, если эти элементы симметрии присутствуют, то действия левой и правой волн будут тождественными.

Различные условия смещений электронов для асимметричных группировок приведут к различной поляризуемости, а значит, и к

разным показателям преломления левой и правой волн. Ясно, что поведение левой и правой молекул будет обратным.

В строгой теории доказывается, что эффект сохраняется при любых расположениях молекул по отношению к лучу.

Теория относительности, созданная в начале нашего века вели­ ким физиком современности Альбертом Эйнштейном, покоится на двух постулатах: 1) принципе относительности, 2) принципе посто­ янства скорости света. Мы вкратце рассмотрим содержание этих принципов, расскажем об эспериментальном их подтверждении и о некоторых следствиях из теории.

Теория относительности возникла при исследовании вопроса о су­ ществовании механического носителя электромагнитного поля (эфи­ ра). Теория относительности решила эту проблему и в этом смысле может рассматриваться как завершение теории электромагнитного поля. При решении задач, поставленных электродинамикой, теория относительности далеко ушла за рамки этой проблемы. Ее развитие привело к установлению закономерностей механических движений, приближающихся по скорости к свету, к закону эквивалентности массы и энергии, к новым взглядам на природу тяготения. Наше рассмотрение будет неизбежно очень кратким и поэтому мы вынуж­ дены отказаться от исторической перспективы.

Прежде всего, о содержании основных постулатов.

Принцип относительности утверждает, что все законы природы (а не только законы механики) одинаковы во всех инерциальных системах координат. Принцип утверждает, что нет ни одного физи­ ческого опыта, который мог бы установить особенные свойства од­ ной из инерциальных систем. Все инерциальные системы равно­ правны.

Второй постулат говорит о постоянстве скорости света в вакууме для всех инерциальных систем. Из него следует, что скорости света «туда» и «обратно» должны быть одинаковы, что скорость света не зависит от движения источника света и измерительных инстру­ ментов.

Какое же отношение эти принципы имеют к нашим представле­ ниям об электромагнитном поле и его носителе? Нетрудно видеть, что сформулированные принципы исключают аналогию между элек­ тромагнитными волнами и, скажем, звуковыми.

Представим себе изолированную от внешнего мира лабораторию, движущуюся прямолинейно и равномерно по отношению к звездам. В этой комнате производятся измерения скорости звука в направле-

нии движения. Теоретически возможны два крайних случая: пер­ вый — стенки комнаты непроницаемы для воздуха и воздух увле­ кается комнатой; второй случай — стенки проницаемы для воздуха, воздух неподвижен относительно звезд, лаборатория движется сквозь воздух, не увлекая его. Положим, что в этих двух случаях производятся измерения скорости.звука. Ее измеряют два наблю­ дателя: движущийся и неподвижный по отношению к звездам. В каждом случае скорость звука по отношению к этим двум наблю­ дателям будет разной. Если скорость звука в воздухе есть с, а ско­ рость комнаты по отношению к неподвижному наблюдателю есть о, то в случае увлечения воздуха движущийся наблюдатель найдет скорость равной с, а неподвижный с+и; в случае покоящегося воз­ духа движущийся наблюдатель найдет скорость равной с — v, а неподвижный — с.

Постулаты теории относительности отвергают для электромагнит­ ной волны в эфире оба варианта. В опытах со световой волной ско­ рость света будет равняться с как для неподвижного, так и для дви­ жущегося наблюдателя. Значит, и неподвижный и увлекающийся системой эфир противоречит теории относительности. Таким обра­ зом, теория относительности отвергает возможность представления о поле как о среде, в которой происходят механические смещения. Мы приходим к заключению, что электрическое и магнитное поля должны обладать непосредственной реальностью.

§ 155. Опытные подтверждения принципа постоянства скорости света

На первый взгляд принцип постоянства скорости света проти­ воречит «здравому смыслу». Поэтому желательно, прежде чем мы начнем выводить следствия из теории относительности, указать не­ посредственные опытные доказательства его справедливости. Они известны из астрономических наблюдений.

Астрономами доказано существование так называемых двойных звезд, в которых два небесных тела близкой массы вращаются около их общего центра тяжести. У нас имеются средства измерять рас­ стояния между звездами, их массы и скорости, следить за их отно­ сительным движением. Если бы скорость света зависела от скорости самой звезды, то при движении в сторону земного наблюдателя ско­ рость света складывалась бы со скоростью небесного тела, при об­ ратном движении скорости вычитались бы. В этом случае земному наблюдателю представлялось бы, что движение по одной половине орбиты происходит быстрее, чем по другой. Этот эффект наблюдался бы даже в том случае, если бы скорость небесного тела v была в сотни тысяч раз меньше скорости света с.

Действительно, на огромном расстоянии / различие во временах

тельным, что не только нарушится периодичность, но даже световой

луч, посланный при движении «туда», мог бы обогнать луч, послан­ ный при движении «обратно». Тогда вращение звезд не было бы видно или приобрело бы причудливый характер. Периодическое вращение двойных звезд может быть понято только на основе прин­ ципа постоянства скорости света.

Правда, здесь речь шла о движении источника света, и поэтому могли остаться сомнения в справедливости принципа постоянства скорости для движения наблюдателя. Эти сомнения рассеиваются другим астрономическим наблюдением — над периодичностью дви­ жения спутников Юпитера. Измерения движения спутников Юпи­ тера можно произвести в двух случаях, когда свет, идущий от Юпи­ тера к Земле, совпадает с направлением движения солнечной сис­ темы и противоположен ему. Тождественность наблюдений и четкая картина периодичности, связанная с годовым движением Юпитера, показывают справедливость принципа постоянства скорости света и в этом случае.

Наиболее существенную роль в развитии теории относительности сыграл опыт, произведенный Майкельсоном впервые в 1881 г. при помощи описанного на стр. 325 интерферометра. Опыт заключался в следующем. Положение двух зеркал, т. е. длины плеч /х и /2 , подбиралось так, чтобы когерентные лучи, на которые расщепля­ ется световой сигнал, затрачивали бы одинаковое время на про­ хождение путей вдоль двух плеч интерферометра. Этот подбор про­ изводится при такой установке интерферометра, при которой одно из его плеч установлено вдоль движения земного шара по ор­ бите. Далее прибор поворачи­ вается на 90° и наблюдается смещение интерференционных полос.

Результат опыта Майкельсона, многократно повторявшегося им самим и другими исследова­ телями, таков: смещения полос нет и времена прохождения све­ том плеч, равные при одной установке, остаются равными и при повороте прибора. Это об­

Что же следует из этого опыта?

Так как Земля движется со скоростью у « 3 0 км/с по отношению к неподвижным звездам, то с точки зрения звездного инерциального наблюдателя пути, пройденные двумя лучами, не могут быть одинаковыми.

Рассмотрим прохождение обоих лучей (рис. 183). Разумеется, нам надо обратить внимание лишь на участки пути, где лучи идут раздельно. Продольный луч на пути «туда» должен пройти длину