Коцепции физики

Физика XIX века считается классической. Ньютоновский феноменологический метод стал главным инструментом познания природы. Законы классической механики и методы математического анализа демонстрировали свою эффективность. Физический эксперимент, опираясь на измерительную технику, обеспечивал небывалую ранее точность. Физическое знание все в большей мере становилось основой промышленной технологии и техники, стимулировало развитие других естественных наук. В физике изолированные ранее свет, электричество, магнетизм и теплота оказались объединенными в электромагнитную теорию. И хотя природа тяготения оставалась не выясненной, его действия можно было рассчитать. Утвердилась концепция механистического детерминизма Лапласа, исходившая из возможности однозначно определить поведение системы в любой момент времени, если известные исходные условия. Структура механики как науки казалась прочной, надежной и почти полностью завершенной - т.е. не укладывающиеся в существующие классические каноны феномены, с которыми приходилось сталкиваться. казались вполне объяснимыми в будущем более изощренными умами с позиций классической механики. Складывалось впечатление, что знание физики близко к своему полному завершению - столь мощную силу демонстрировал фундамент классической физики, несмотря на то. что в ее отдельных областях гнездились остатки старых метафизических концепций. Но постепенно последние сдают свои позиции: сходят с арены теория флюидов, теория теплорода и т.д.  Проникновение физических знаний в промышленность, технику приводит к появлению прикладной физики, а исследования в ее области значительно расширяли фактический материал, требовавший теоретической интерпретации. В конце концов неспособность классической теории объяснить новые факты приводит на рубеже XIX и XX веков к научной революции в физике.

2. Волновая концепция света О.Френеля

 Сформировавшиеся в предшествующее столетие корпускулярная и волновая концепция света в XIX веке продолжили ожесточенную борьбу. Первая опиралась на авторитет Ньютона, вторая - на авторитет Гука, Гюйгенса, Эйлера, Ломоносова. Сторонники корпускулярной концепции надеялись объяснить с ее позиций затруднения с объяснением явлений дифракции и интерференции. Т.Юнг дал это объяснение с позиций волновой концепции. Исходя из высказанных им гипотез о существовании разреженного и упругого светоносного эфира, заполняющего Вселенную, о возбуждении волнообразных движений в эфире при свечении тела, о зависимости ощущения различных цветов от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом на сетчатке глаза, о притягивании всеми материальными телами эфирной среды, вследствие чего последняя накапливается в веществе этих тел и на малом расстоянии вокруг них в состоянии большей плотности (но не большей упругости), Юнг делает вывод о том, что излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира. Это дало возможность все разнообразие цветов свести к колебательным движениям эфира, а различие цветов объяснить различием частот колебаний эфира, а также сформулировать принцип интерференции.

Прямолинейное распространение света было наиболее важным аргументом в пользу корпускулярной теории. О.Френель делает новый существенный шаг в развитии волновой теории.  (Идея интерференции вообще оказалась столь плодотворной, что при встрече с неизвестным видом излучения всегда стараются получить интерференцию. И если это удается, то тем самым доказывается его волновой характер.)

Связав принцип Гюйгенса, (согласно которому молекулы тела, приведенные в колебание падающим светом становятся центрами испускания новых волн) с принципом интерференции, (согласно которому налагающиеся волны, в противоположность корпускулярным лучам, не обязательно усиливаются, а могут и ослабляться до полного уничтожения), Френель дал объяснение прямолинейному распространению света, показав, что лучи, поляризованные перпендикулярно друг к другу, не интерферируются. В опытах по дифракции света он установил. что дифракционные полосы появляются вследствие интерференции лучей. Принцип интерференции позволил Френелю законы отражения и преломления объяснить взаимным погашением световых колебаний во всех направлениях, за исключением тех. которые удовлетворяют закону отражения. Френелю удалось экспериментально доказать, что световые лучи могут воздействовать друг на друга, ослабляться и даже почти полностью погашаться в случаях согласных колебаний, что и позволило ему дать объяснение явлению дифракции. Френель доказал. что свет является поперечным волновым движением. Он объяснил явление поляризации света в экспериментальных исследованиях отражения и преломления света от поверхности прозрачных веществ. Им было установлено, что отражение плоско-поляризованного света от поверхности прозрачного тела сопровождается поворотом плоскости поляризации в тех случаях, когда эта плоскость не совпадает с плоскостью падения или не перпендикулярна к ней. Развивая идеи Гюйгенса о распространении волн в кристаллах. Френель заложил основы кристаллооптики.

Таким образом, борьба волновой и корпускулярной концепции света в первой половине XIX века завершается победой волновой концепции - было установлено, что свет является поперечным волновым движением. Решающим вкладом  в эту победу и явилось объяснение с помощью волновой концепции явлений дифракции и интерференции света.

3. Концепции классической электродинамики

 Классическая электродинамика, представляющая собой теорию электромагнитных процессов в различных средах и вакууме, охватывает огромную совокупность явлений, в которых главная роль принадлежит взаимодействиям между заряженными частицами, которые осуществляются посредством электромагнитного поля. Разделом электродинамики, изучающим взаимодействия и электрические поля покоящихся электрических зарядов, является электростатика.

Успехи в области электростатики, выразившиеся в установлении количественного закона электрических взаимодействий, способствовали не только накоплению экспериментальных данных в области электростатических явлений и совершенствованию электростатических машин, но и созданию математической теории электро- и магнитостатистических взаимодействий. Открытие Л.Гальвани "животного электричества", создание А.Вольта первого генератора электрического тока ("вольтова столба"), осуществление первого описания замкнутой цепи электрического тока, открытие В.В.Петровым электрической дуги, открытие Г.Дэви и М.Фарадея химического действия электрического тока, теоретические работы по электро- и магнитостатике С.Пуассона и Д.Грина были завершающими успехами в области концепции электрической жидкости, считавшейся в начале XIX века основой электростатики, подобно тому, как концепция магнитной жидкости считалась основой магнитостатики. В дальнейшем главным направлением в данной области становится электромагнитизм.

В 1820 г. Х.Эрстедом было открыто магнитное действие электрического тока - вокруг проволоки с электрическим током было обнаружено магнитное поле. Таким образом, была доказана связь электричества и магнетизма. А.Ампер, основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, разработал первую теорию магнетизма, заложив тем самым основы электродинамики. Он различал понятия электрического тока и электрического напряжения. Основными понятиями его концепции были "электрический ток", "электрическая цепь". Под электрическим током Ампер понимал непрестанно чередующиеся внутри проводника процессы соединения и разделения противоположно заряженных частиц электричества. (Наименование единицы силы тока носит имя Ампера.) Им обосновано направление движения тока - направление положительного заряда электричества, а также установлен закон механического взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Из данного закона следовало. что параллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных направлениях - отталкиваются. Из представления о магните как совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных линии, соединяющей полюсы магнита, вытекал естественный вывод о том, что соленоид эквивалентен магниту. Революционный смысл этого вывода был очевиден: для объяснения явления магнетизма больше не требовалось наличия "магнитной жидкости" - все явление магнетизма оказалось возможным свести к электродинамическим взаимодействиям.

Следующим шагом в развитии электродинамики было открытие М.Фарадеем явления электромагнитной индукции - возбуждения переменным магнитным полем электродвижущей силы в проводниках, - ставшей основой электротехники. Важным результатом его исследований явилось также обоснование того, что отдельные виды электричества тождественны по своей природе, независимо от их источника. Открытие закона электролиза(химическое действие электрического тока прямо пропорционально количеству проходящего электричества), открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле. Пытаясь объяснить явление электромагнитной индукции на основе концепции дальнодействия, но встретившись с затруднениями, он высказал предположение об осуществлении электромагнитных взаимодействий по средством электромагнитного поля, т.е. на основе концепции близкодействия. Это положило начало формированию концепции электромагнитного поля, оформленную Д.Максвеллом.

4. Электромагнитное поле Максвелла и эфир

 Теория Ньютона успешно объяснила движение планет вокруг Солнца под влиянием силы притяжения, но не смогла верно объяснить движение электрически заряженных частиц, которые взаимодействуют друг с другом через пустое пространство под влиянием электрических и магнитных сил - модель атома напоминает модель Солнечной системы (в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны). Вместе с тем между гравитационными и электромагнитными силами есть различия: электрический заряд имеет лишь некоторые частицы, а гравитацией обладают все формы вещества и энергии; электрические силы бывают положительными и отрицательными (причем частицы с разным зарядом притягиваются, а с одинаковым - отталкиваются), а тяготеющие объекты только притягиваются; при малых масштабах (например, в атоме) резко преобладают электромагнитные силы, а при больших масштабах (например, при масштабах Земли) - гравитационные. Д.К.Максвелл вывел систему уравнений, описывающих взаимосвязь движения заряженных частиц и поведение электромагнитных сил. Центральным понятием теории Максвелла было понятие поля, которое избавило от затруднений. связанных с ньютоновским действием на расстоянии. В XIX в. поле описывалось по аналогии с движущейся жидкостью, поэтому оно характеризовалось с помощью таких терминов, как "магнитный поток", "силовые линии" и т.п. Описание же поля как жидкости предполагает среду, передающую действие от одного заряда к другому. Такую гипотетическую жидкость назвали эфиром. Полагали, что эфир заполняет все пустое пространство, оставаясь невидимым. Электромагнитные поля представлялись в виде натяжений в эфире. Заряженные частицы порождали в эфире волны натяжений. скорость распространения которых, как и показали расчеты, оказалась около 300000 км/с. Свет стал рассматриваться в виде электромагнитных волн, которые вызывались движениями заряженных частиц и которые распространялись в пространстве как колебания эфира. С открытием электромагнитных волн (радиоволны, сверхвысокочастотные. тепловые (инфракрасные), ультрафиолетовые, рентгеновские волны. гамма-излучения) появилась возможность проверки ньютоновской теории пространства и времени.

Если Фарадей осуществил новый подход к изучению электрических и магнитных явлений, создав концепцию поля. которое описвывалось с помощью силовых линий, то Максвелл. введя точное понятие электромагнитного поля. сформулировал его законы.

Из концепции Френеля о поперечных световых волн неизбежно вытекали вопросы о том, в какой же среде распространяются волны, почему нет продольных световых волн, как действует эфир на движущиеся в нем тела и т.д. Было высказано множество самых разнообразных гипотез относительно поперечности световых волн (например, гипотеза абсолютно несжимаемого эфира, гипотеза неподвижного эфира, гипотеза эфира, частично увлекаемого за собой движущимися в нем телами и т.д.). Т.е. существование самого эфира сомнению не подвергалось, ибо распространение волн требовало соответствующей среды.

Максвелл создает электромагнитную теорию света, установив уравнения, объяснявшие все известные к тому времени факты с единой точки зрения. В них устанавливалась связь между изменениями магнитного поля и возникновением электродвижущей силы. Свою главную задачу Максвелл усматривал в том, чтобы привести электрические явления к области динамики. Он исходил из того, что электрический ток нельзя рассматривать иначе как действия не расположения. а распространения протекающие во времени. Причина электрических токов была им названа электродвижущей силой.

Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла задается напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Исследовав связи между электрическими и магнитными полями. Максвелл из того, что изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, которое само создает электрическое поле, и количественного анализа этих соотношений пришел к выводу о распространении данного процесса в пространстве. Иными словами, переменное электрическое поле в одной точке создает магнитное поле по соседству с ней, которое в свою очередь вызывает электрическое поле чуть дальше. Поскольку этот процесс происходит снова и снова, возникает колеблющееся электромагнитное поле,  непрерывно расширяющееся в пространстве. При этом электрическое или магнитное поле распространяется независимо от способов их возникновения (будь то колебания зарядов или появление магнитов). Вычисления скорости распространения поля, выполненные по данным о наблюдаемом токе, индуцированным движущимися магнитами, или по данным о создаваемом токами магнитном поле, выявили. что она равна скорости света. И хотя Максвелл в своих вычислениях использовал измерения электрических токов и магнитных полей, т.е. явлений, казалось бы, не имеющих со светом ничего общего. Он из этих измерений сделал вывод о том, что колеблющееся электрическое поле распространяется в виде волн со скоростью света. Этим была установлена связь между оптикой и электричеством - областями, которые ранее представлялись не связанными друг с другом. Оптика стала разделом электродинамики.

Таким образом, свет оказался не чем иным, как распространением электромагнитных волн. Экспериментальное их обнаружение Г.Герцем в 1880 г. означало победу электромагнитной концепции, хотя она в сознании ученых утвердилась не сразу (концепции Ньютона понадобилось для своего утверждения половина века, концепции Максвелла понадобилась для этого четверть века). Герц  установил, что электромагнитные волны имеют свойство, аналогичные световым: преломление, отражение, интерференцию, дифракцию, поляризацию, ту же скорость распространения. ( Оценивая результаты своих экспериментов, Герц прекрасно понимал, что они рушат всякую теорию, считающую, что электрические силы распространяются в пространстве мгновенно.)

Концепция Максвелла явилась новым шагом в понимании природы электрических и магнитных явлений, обусловившим возможность появления радио, радиолакации, телевидения и т.д. Она дала ответ на вопрос о природе световых волн: световая волна есть волна электромагнитного поля, распространяющаяся в пространстве. Открытие Максвелла принято сравнивать по степени важности с открытием Ньютоном закона всемирного тяготения. Если Ньютон ввел понятие всеобщего поля тяготения, то Максвелл ввел понятие электромагнитного поля и установил законы его распространения.

Развитием концепции Максвелла было измерение П.Н. Лебедевым давления света, предсказанного Максвеллом, а также использование электромагнитных волн для беспроволочной связи А.С.Поповым и Г.Маркони.

5. Молекулярно-кинетическая концепция тепловых процессов

 Как отмечалось ранее, глубокое изучение тепловых процессов предполагает учет молекулярного строения вещества. Решение такой задачи оказалось сопряженным с использованием статистических методов. Включение тепловых процессов в рамки механической картины мира привело к открытию статистических законов, в которых связи между физическими величинами носят вероятностный характер. В классической статистической механике, в отличие от динамической, задаются не координаты и импульсы частиц системы, а функция распределения частиц по координатам и импульсам, имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов.

Господство концепции теплорода и отсутствие необходимых экспериментальных фактов в первой половине XIX века задержали развитие молекулярно-кинетической теории вещества. Открытие закона сохранения энергии продемонстрировало связь теплоты с движением невидимых частиц вещества, дав толчок исследованиям, начатым Р.Бойлем, М.В.Ломоносовым, Д.Бернулли и др. М.В.Ломоносов впервые высказал идею о тепловом вращательном движении атомов. К этой идеи пришел и Г.Дэви. Д.Дальтон установил, что атомы одного и того же химического элемента обладают идентичными свойствами и, введя понятие атомного веса химического элемента, дал ему определение как отношения массы одного атома этого элемента к массе одного атома водорода. А.Авогадро установил. что идеальные газы (газы с пренебрежительно малыми силами взаимодействия между его частицами) при одинаковых температуре и давлении содержат в единице объема одинаковые количества молекул.

К середине XIX века эквивалентность теплоты и энергии признало большинство ученых, теплоту стали рассматривать как молекулярное движение. Опыты Ж.Л.Гей-Люссака и Д.Джоуля подтвердили независимость внутренней энергии идеальных газов от их объемов, что было свидетельством ничтожности действующих между их молекулами сил. Р.Клаузиус к поступательному движению молекул добавляет вращательное и внутримолекулярное колебательное движение и дает объяснение закону Авогадро как следствию того. что молекулы любых газов обладают одинаковой "живой силой" поступательного движения. Для данного этапа развития молекулярно-кинетической теории газов важным было вычисление средних значений различных физических величин, таких как скорость движения молекул, число их столкновений в секунду, длина свободного пробега и т.д., определение зависимости давления газа от числа молекул в единице объема и средней кинетической энергии поступательного движения молекул - все это дало возможность выявить физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.

Следующий этап в развитии молекулярно-кинетической теории газов начался с работ Д.Максвелла. Благодаря введению понятия вероятности был установлен закон распределения молекул по скоростям (всякая система, вначале содержащая быстрые (горячие) и медленные (холодные) молекулы, должна прийти в такое состояние, при котором большинство молекул движется со средними скоростями, становясь чуть теплыми), что и привело к созданию статистической механики. В работах Л.Больцмана, построившего кинетическую теорию газов, было дано статистическое обоснование второго начала термодинамики - необратимость процессов была связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Выявление статистического смысла второго начала термодинамики имело важное значение - оказалось , что второе начало термодинамики в отличие от первого имеет границы своей применимости: оно не применимо к движению отдельной молекулы. Необратимость движения обнаруживается в поведении лишь огромного числа молекул.

Классическая статистическая механика завершается работами Д.Гиббса, создавшего метод расчета функций распределения не только для газа, но вообще для любых систем в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее же признание статистической механики наступит уже в XX веке, когда, на основе молекулярно-кинетической теории будет построена количественная теория броуновского движения (на основе исследования последнего Ж.Перрен доказал реальность существования молекул).

Таким образом, молекулярно-кинетическая концепция газа является совокупностью огромного числа молекул, движущихся во всех направлениях, соударяющихся друг с другом и после каждого столкновения изменяющих направление своего движения. В таком газе существует средняя скорость движения молекул, а поэтому должна существовать и средняя кинетическая энергия молекулы. Если это так, то теплота есть кинетическая энергия молекулярного движения и любой определенной температуре соответствует определенная кинетическая энергия молекулы. Молекулярно-кинетическая теория вещества и качественно и количественно объясняет законы газов и других веществ, установленные экспериментально. Броуновское движение, обнаруженное Р.Броуном, продемонстрировало движение частиц в жидкостях. Наблюдая через микроскопы за движением органических и неорганических веществ в воде, Броун установил, что их движение вызывается потоками в жидкости и не ее постоянным испарением, а принадлежит самим частицам. Это наблюдение выглядит противоречащим всему предыдущему опыту. Молекулярно-кинетическая теория позволила объяснить возникшую трудность.

Суть дела заключается в следующем. Частицы, движущиеся в воде и наблюдаемые в микроскоп, бомбардируются меньшими частицами, из которых состоит вода. броуновское движение возникает вследствие того, что данная бомбардировка в силу своей хаотичности и неодинаковости с разных сторон, не может быть уравновешена. Важно, таким образом, то, что наблюдаемое в микроскоп движение является результатом движения, которое в данный микроскоп ненаблюдаемо: хаотичный характер поведения больших частиц отражает хаотичность поведения молекул, из которых состоит вещество. Отсюда ясно, что количественное изучение броуновского движения позволяет глубже проникнуть в кинетическую теорию вещества. Поскольку бомбардирующие молекулы имеют определенные массы и скорости, то изучение броуновского движения позволяет определить массу молекулы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12