Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:
· древний и средневековый,
· классической физики,
· современной физики .
Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневековым этапом .
Начало второго этапа – этапа классической физики – связывают с одним из основателей точного естествознания – итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до конца XIX в.
К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858–1947), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. Его трудами открывается третий этап развития физики – этап современной физики , включающий не только квантовые, но и классические представления.
Дадим краткую характеристику каждого из этапов. Принято считать, что первый этап открывает геоцентрическая система мировых сфер, разработанная Аристотелем. Учение о геоцентрической системе мира начиналось с геоцентрической системы кольцевых мироустроений еще гораздо раньше – в VI в. до н. э. Ее предложил Анаксимандр (ок. 610 – после 547 до н. э.), древнегреческий философ, представитель Милетской школы. Данное учение было развито Евдоксом Книдским (ок. 406 – ок. 355 до н. э.), древнегреческим математиком и астрономом. Геоцентрическая система Аристотеля родилась, таким образом, на подготовленной его предшественниками идейной почве.
Переход от эгоцентризма – отношения к миру, которое характеризуется сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму – первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения ростков естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, была дополнена аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал как бы более завершенным – специфическим, но оставаясь ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов – обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтверждались гораздо позднее – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т. е. на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел уже доживало свои последние годы.
Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему греческого астронома Клавдия Птоломея (ок.90 – ок. 160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы (рис. 3.1) польского математика и астронома Николая Коперника (1473–1543). Вершиной гелиоцентрической системы можно считать законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571–1630), одним из творцов астрономии нового времени.
Рис. 3.1. Система мира по Копернику (в центре Солнце)
Астрономические открытия Галилео Галилея и его физические эксперименты, а также общие динамические законы механики вместе с универсальным законом всемирного тяготения, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало классическому этапу развития физики .
Между названными этапами нет четких границ. Для физики и естествознания в целом характерно в большей степени поступательное развитие: законы Кеплера – венец гелиоцентрической системы с весьма длительной историей, начавшейся еще в древние времена; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики.
Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т. е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов его механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной.
Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил применять закон инерции Аристотеля, характеризующий равномерное движение небесных тел вокруг Земли, для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении. Мысленно расчленяя всевозможные земные тела на отдельные части, он установил для них закон одинаково быстрого (или одинаково равномерно ускоренного) свободного падения независимо от их массы, когда свободное падение в вертикальном направлении к центру Земли происходит в идеальных условиях, без какого бы то ни было сопротивления, т. е. в пустоте. Этот закон находится в противоречии с канонизированным аристотелевским учением, в соответствии с которым «природа не терпит пустоты», и весомые тела падают в реальных условиях под действием присущей им силы тяжести на самом деле тем быстрее, чем больше их массы.
Кеплер и Галилей, отталкиваясь таким образом от первоначальных представлений, радикально пересмотрели всю механику. В результате перехода от геоцентризма к гелиоцентризму они пришли к своим кинематическим законам, которые предопределили принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона со всеми сформулированными им классическими динамическими законами, включая универсальный закон всемирного тяготения. При этом из «Математических начал натуральной философии» – фундаментального труда Исаака Ньютона – можно заключить, что его динамические законы не только следуют из соответствующих кинетических законов Кеплера и Галилея, но и сами могут быть положены в основу всех трех кинематических законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея, а также всевозможных теоретически ожидаемых отклонений от них из-за сложного строения и взаимных гравитационных возмущений взаимодействующих тел.
Законы Кеплера послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, сделанных в 1781 г. английским астрономом и оптиком Уильямом Гершелем (1738–1822), английский астроном и математик Джон Кауч Адамс (1819–1892) и французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование еще одной – заурановой планеты, которую обнаружил на небе в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812–1910). Эта планета носит название Нептун. Затем американский астроном Персиваль Ловелл (1855–1916) аналогично предсказал в 1905 г. существование еще одной заурановой планеты и организовал в созданной им обсерватории ее систематические поиски, в результате которых молодой американский любитель астрономии открыл в 1930 г. искомую новую планету – Плутон.
Стремительными темпами развивалась не только классическая механика Ньютона. Этап классической физики характеризуется также крупными достижениями и в других отраслях физики: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т. п. Ограничимся перечислением некоторых наиболее важных достижений. Были установлены опытные газовые законы. Предложено уравнение кинетической теории газов. Сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики. Открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции. Явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование. Установлены законы поглощения и рассеивания света.
Конечно, можно было бы назвать и другие не менее важные достижения, среди которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Максвелл является не только создателем классической электродинамики, но и одним из основоположников статистической физики. Он установил статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Развивая идеи Майкла Фарадея (1791–1867), он создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), которая не только объясняла многие известные к тому времени электромагнитные явления, но и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и теория Максвелла оказалась не всемогущей.
В конце прошлого столетия при изучении спектра излучения абсолютно черного тела была экспериментально установлена закономерность распределения энергии в спектре излучения. Экспериментальные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. В рамках классической электродинамики Максвелла не удалось объяснить закономерность распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Правильное, согласующееся с опытными данными выражение для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела было найдено в 1900 г. Максом Планком. Для этого ему пришлось отказаться от установившегося положения классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями – квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания.
Характерная особенность третьего этапа развития физики – современного этапа – заключается в том, что наряду с классическими широко внедряются квантовые представления, на основании которых объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц, и в связи с которыми возникли новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.
Введение
Физические представления античности и Средних веков
Развитие физики в Новое время
Переход от классических к релятивистским представлениям в физике
Современная физика макро- и микромира
Заключение
Введение
Физика на протяжении всей новой и новейшей истории была лидером научного прогресса. Ее концепции и методы служили образцами для других наук, то есть она была как бы парадигмой естественнонаучного познания в целом. И лишь во второй половине XX века развитие других направлений привело к тому, что физика стала терять свое абсолютное лидерство. Но и сегодня во многих отношениях научно-технический прогресс базируется на основных физических концепциях и тех разработках частных вопросов, которые с этими основными концепциями связаны.
Обобщающие физические теории вполне законно стремятся раскрыть наиболее глубокую основу ещё более широкого круга явлений, но мысль физиков не удовлетворяется эти и так сказать по инерции устремляется к конкретно - физическому объяснению устройства всего мира в целом. И не раз казалось, что эта цель уже достигнута - то в виде классической механики, потом в виде термодинамики, теперь в виде обобщающих теорий полей и элементарных частиц. Но время и новые открытия неумолимо заставляют признать несбыточность подобных надежд. Применительно ко всему миру в целом приходится обходится лишь философскими размышлениями и обобщениями, лишь общей теорией диалектики, лишь качественными оценками, а не количественными расчётами.
1. Физические представления античности и Средних веков
Термин «физика» появляется в античной философской и научной мысли в VI-V веках до нашей эры. Физиками тогда, называли тех мыслителей, которые пытались дать более или менее целостную картину мира, окружающего человека. При этом они мало внимания обращали на то, каким образом, при помощи каких методов и познавательных процедур возникает это знание. К тому же разрабатываемую ими картину мира они считали абсолютной истиной, которая не нуждается ни в каком дальнейшем уточнении. И все же они выдвинули, почти не обращаясь к реальному опыту, ряд принципиальных идей, которые впоследствии получили развитие в физике Нового времени и даже стали основой ее дальнейшего прогресса.
Наиболее фундаментальной идеей в этом отношении был принцип атомизма, который позволил Демокриту и Эпикуру качественно объяснить возникновение многообразия в окружающем мире и показать, что для этого достаточно сравнительно простых моделей. Так, различие двух любых вещей полностью объясняется всего тремя свойствами: числом атомов, из которых они состоят; формой этих атомов, которая адекватно описывается геометрией; отношениями между атомами.
Всякое изменение вещи, как количественное, так и качественное, зависит от изменения этих трех характеристик и от их соотношения. Такое понимание физической реальности привело к представлению о бесконечности мира и одновременно к утверждению, что основа физической реальности, то есть атомы, абсолютно неизменны, следовательно, они существуют вне времени. Тем самым формулировался принцип несотворимости и неуничтожимости вещества и материи. Правда, для атомистов материя существовала в двух формах: как атомы, или полное, и как пустота.
Таким образом, абстрактное противоречие движущейся материи, сформулированное еще Гераклитом как единство бытия и небытия, приобрело конкретную физическую форму как отношение полного и пустого. Полное - это бытие, пустое - небытие. Противоположности оказались при этом абсолютно разделенными, что надолго предопределило развитие физических парадигм. Здесь же была поставлена еще одна проблема, а именно проблема элементарности, то есть атомы абсолютно элементарны. Ведь они никаким способом не обнаруживают своей внутренней структуры, они абсолютно неделимы.
Эта модель физической реальности использовала и такие парадигмы, которые продолжали играть важную роль на протяжении всей последующей истории физики, их коренной пересмотр произошел в сущности только в XX веке, так как только с развитием квантовой механики и исследованиями элементарных частиц были в принципе пересмотрены понятия вакуума и элементарности.
Хотя античные мыслители разрабатывали различные аспекты понимания физических явлений, они не затрагивали самой сути физической реальности. Решающее значение для дальнейшего развития физики, да и всего естествознания имели три концепции. Это атомизм Демокрита и Эпикура, концепция возникновения порядка из хаоса Эмпедокла и Анаксагора и физика Аристотеля, в которой он попытался дать описание движения исходя из принципов своей философии. Аристотель вслед за Платоном полагал, что логически может быть выражено лишь то, что не имеет в себе противоречия. Но изменение, движение противоречивы, поэтому познание направлено на то, что является причиной движения, изменения. Такой причиной, по Аристотелю, является форма, то есть система общих свойств. Форма одновременно и причина движения, изменения, и цель процесса. Поскольку форма неизменна, то следует вывод, согласно которому движение происходит лишь постольку, поскольку действует его причина. Устранение причины устраняет и само движения. Это утверждение Аристотеля стало господствующим в средневековой физике, которая разрабатывалась в европейских университетах и в сущности оставалась в рамках философии. И хотя делались попытки пересмотреть эту аристотелевскую парадигму, она продолжала господствовать в физических представлениях вплоть до XVII века.
Галилей нанес первый серьезный удар по этой физической парадигме. Введение принципа инерции показало, что если тело движется прямолинейно и равномерно, то оно будет сохранять это состояние и тогда, когда на него не будет действовать никакая сила. Таким образом, по отношению к механическому движению был сформулирован принцип тождества противоположностей. Оказалось, что состояние равномерного и прямолинейного движения и состояние покоя настолько тождественны, что, находясь внутри системы, никаким механическим экспериментом нельзя обнаружить, движется она или покоится.
Именно эти парадигмы и определили первый этап развития физики Нового времени.
Последующее развитие физики, в частности, осуществленное Ньютоном, было лишь развитием фундаментального открытия Галилея. Однако при этом были введены в физику некоторые парадигмальные идеи. Во-первых. Ньютон в сущности понимает атомизм или корпускулярную концепцию материи возможно под влиянием работ Бойля, но распространяет это на теорию света, рассматривая свет как поток корпускул. В то же время, явно или неявно, Ньютон допускает две весьма существенные идеализации. Во-вторых, мгновенность действия и дальнодействие, по крайней мере для сил гравитации. Тем самым вводится предположение о существовании вневременного процесса. Ведь как мгновенность действия, так и дальнодействие исключают временную характеристику взаимодействия. В-третьих, Ньютон предположил, что пространство и время - это самостоятельные и независимые от материи сущности. Все физические процессы разворачиваются во времени и пространстве, но не взаимодействуют с ними.
Используя эти представления о физической реальности, Ньютон построил первую космологическую модель. Согласно этой модели в бесконечном пространстве относительно равномерно распределены звезды, их также бесконечно много. Если бы пространство было конечно или число звезд было конечным, то силы гравитации стянули бы все звезды в единое тело. Устойчивость космоса основана, таким образом, на бесконечности пространства, бесконечном числе звезд и относительной равномерности распределения этих звезд в пространстве.
Успехи механики в ХVII-ХVIII веках привели как самих физиков, так и философов-материалистов к методологической установке парадигмального характера: познать что-либо - это значит построить механическую модель изучаемой области и таким образом свести ее к законам механики. Эти законы являются наиболее фундаментальными, и любой другой закон - это лишь конкретизация законов механики. Эта установка настолько прочно вошла в сознание физиков, что даже Максвелл, создатель теории электромагнитного поля, вначале пытался объяснить его, используя механические модели. Даже в 1900 году общепризнанный авторитет в физике того времени Томпсон, он же лорд Кельвин, утверждал, что принципиально новых открытий в физике ожидать нельзя, все такие открытия уже сделаны, - это законы механики. Новая парадигмальная структура в физике начинает формироваться в связи с изучением электромагнитных явлений. Вначале, естественно, делаются попытки рассмотреть эти явления в той же системе парадигм, к которой физиков приучила механика. Вместо тяготеющих масс теперь рассматриваются электрические заряды, которые притягиваются или отталкиваются по закону, аналогичному закону тяготения. Однако вскоре выяснилось, что с электромагнитными явлениями связаны такие закономерности, с которыми классическая механика не имела дела. Поэтому пришлось пересмотреть саму субстанцию физических явлений. Изучение света показало, что корпускулярная модель, которую использовал сам Ньютон, недостаточна. Более адекватной оказалась волновая модель. Но для распространения волн нужна среда, и в качестве такой среды был постулирован эфир. Таким образом, атомы и эфир - это две субстанции, которые должны были позволить свести все физические явления к законам механики. Однако уже Максвелл в своих последних работах отказывается от механических моделей и выводит уравнения теории электромагнитного поля. Исследования этой теории показали, что она вовсе не нуждается в механике, что относится к своему собственному эмпирическому материалу так же, как классическая механики к своему. Это две независимые теории, описывающие качественно различные процессы.
Однако парадигма, господствовавшая еще в физике, требовала редукции одних законов к другим. Поэтому вместо механической картины мира возникают попытки построить электромагнитную картину мира, включающую объяснение механических явлений. Таким образом, создание теории электромагнитного поля стало завершением того процесса, который существенно изменил парадигмальную структуру физического мышления. Электромагнитные процессы разворачиваются в любой среде, в том числе в вакууме, и поэтому вакуум, в котором реализуются эти процессы, уже не является абсолютной пустотой.
Поскольку благодаря электромагнитным моделям было выявлено единство таких, казалось бы, разнородных процессов, как электричество, магнетизм, свет, то естественно было ожидать, что в основе всех этих процессов лежит одна и та же субстанция, то есть эфир. Между тем сопоставление опытов Физо и Майкельсона - Морли показало, что понятие эфира противоречиво. Он должен одновременно захватываться движением Земли и не захватываться. Но противоречивое понятие не может быть основой теоретических моделей. Открытие фотоэффекта показало, что свет, то есть электромагнитное колебание, одновременно обладает как волновой, так и корпускулярной природой. Таким образом, эфир оказался не нужным, поскольку он не в состоянии объяснить двойственную природу электромагнитных процессов.
Переход от механических моделей физических процессов к электромагнитным принципиально меняет одну из фундаментальных парадигм, которая берет начало от античного атомизма. Для всей физики от античности, до второй половины девятнадцатого века господствовала парадигма, согласно которой носителем свойств, субъектом физической реальности являются частицы, корпускулы и т.д. Теперь же оказалось, что таким носителем и соответственно субъектом является поле. Но поле в отличие от корпускул, непрерывно. Согласно математическому определению поле, в отличие от вещества, - это система, обладающая бесконечным числом степеней свободы.
3. Переход от классических к релятивистским представлениям в физике
Своё развитие концепция поля получила в теории относительности. В работах Пуанкаре и Эйнштейна были заложены основы нового понимания физической реальности. Согласно Пуанкаре, если мы сталкиваемся с ситуацией, в которой известные нам физические законы уже не могут объяснить эмпирические факты, существует две возможности решения проблемы: можно изменить, во-первых, сами законы, а во-вторых, - пространство и время. При этом мы получим тождественные по результатам решения проблемы. Однако легче произвести преобразования свойств пространства и времени. Лоренц показал, как это можно сделать математически, а Минковский построил для этой цели такое математическое представление пространства-времени, которое выявило их неразрывную связь.
В основе этих математических построений лежало обобщение идеи, которая берет начало от принципа относительности Галилея. Как уже говорилось, согласно этому принципу, находясь внутри системы, невозможно посредством механического эксперимента выяснить, движется эта система или покоится, при условии, что система инерциальна, то есть находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения.
Этот принцип отождествляет движение и покой лишь с точки зрения механического движения. Но к началу XX века физика уже имела дело с качественно разнообразными процессами. Отсюда естественное обобщение принципа Галилея: находясь внутри инерциальной системы, никаким физическим экспериментом нельзя обнаружить, движется она или покоится. Следовательно, тождество покоя и движения обобщается по отношению к любому физическому процессу. Но для того чтобы построить специальную теорию относительности, нужен второй постулат, и в качестве такого постулата был использован результат эксперимента Майкельсона - Морли, согласно которому скорость света в вакууме не зависит от скорости источника света. Для вакуума эта величина постоянная и вообще является пределом скорости для всех физических взаимодействий. Применяя математический аппарат Лоренца и Минковского и введя ряд эпистемологических допущений, основанных на мысленном эксперименте, можно показать. Во-первых, не существует универсального способа выявления одновременности событий, поскольку для этого необходимо обмениваться сигналами, а скорость прохождения сигнала конечна. Следовательно, два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные результаты при попытке установить одновременность одного и того же события. Во-вторых, при раздельном измерении пространственного и временного интервала мы, в зависимости от системы отсчета, будем получать разные значения. Абсолютной величиной, не зависящей от наблюдателя, обладает лишь пространственно-временной интервал.
Несмотря на всю революционность этой концепции пространства и времени как основы понимания всех физических процессов, ее нередко относят к классической физике. Дело в том, что теория относительности сохранила то понимание детерминизма, которое было парадигмальным для классической физики, в то время как с созданием квантовой механики был пересмотрен лапласовский детерминизм. Ему на смену пришло представление о вероятностной детерминации и неопределенности как неотъемлемой характеристики всякого физического взаимодействия.
В специальной теории относительности тождество покоя и движения было представлено в обобщенной форме, поскольку речь в ней идет не только о механических взаимодействиях, но о любых физических экспериментах и, следовательно, о том, что любые физические законы инвариантны, в инерциальных системах. Но даже и такое обобщение является неполным. Ведь речь идет лишь об инерциальных системах.
Следующий шаг, обобщающий принцип тождества покоя и движения в физических процессах, должен был состоять в том, чтобы распространить его и на ускоренное движение. Это было сделано в общей теории относительности. В ней утверждалось, что никаким физическим экспериментом, находясь внутри системы, нельзя выяснить, покоится система или движется, независимо от того, каким является это движение. Иными словами, был введен принцип тождества гравитационной и инерциальной массы.
Такая постановка проблемы движения и физического взаимодействия вообще привела к изменению понимания пространства и времени. Гравитацию можно было представить как кривизну пространства, зависящую от распределения в нем тяготеющих масс. Вполне естественным казался вывод, доказанный Эйнштейном и Инфельдом, согласно которому общая теория относительности является третьим и последним этапом в развитии теории движения. Ведь принцип тождества покоя и движения получил в ней предельное обобщение.
Создание обшей теории относительности позволило по-новому поставить проблему создания космологических моделей. Хотя вплоть до XX века астрономы исходили из ньютоновской модели Вселенной, однако уже в XIX веке выяснилось, что эта модель содержит в себе противоречие наблюдаемым фактам. Яснее всего это выразилось в так называемом фотометрическом и гравитационном парадоксах. Как показал Ольберс, если пространство бесконечно и равномерно заполнено звездами, то их свет должен суммироваться и, следовательно, ночное небо должно светиться с яркостью Солнца, поскольку Солнце по своей светимости средняя звезда. Однако этого не наблюдается. Следовательно, что-то в предположениях, на которых построена эта модель, неверно. Позднее Зейлегер доказал так называемый гравитационный парадокс. Согласно этому парадоксу, если в пространстве бесконечно много тел, то силы тяготения суммируются и ускорение в любой точке пространства под действием этих сил будет бесконечно большим.
Единственный способ избавиться от этих парадоксов при сохранении мира в пространстве состоит в том, чтобы принять определенные соотношения между звездами и звездными системами. Если эти расстояния выстраиваются в ряд Даламбера, который сходится, то парадоксы исчезают, но при этом количество вещества в пространстве стремится к нулю. Поскольку ньютоновская модель была построена на основе классической механики, то с созданием релятивистской механики, то есть механики теории относительности, появилась возможность построить принципиально новую космологическую модель. Предположив определенную плотность вещества во Вселенной, несколько большую величины грамм на десять в минус двадцать девятой степени на кубический сантиметр, Эйнштейн получил космологическую модель Вселенной в виде четырехмерного множества событий в форме цилиндра с конечным радиусом и бесконечной временной осью. При этом он рассмотрел лишь то решение уравнений, которое описывало стационарную модель.
Как показал впоследствии Фридман, эти уравнения имеют и нестационарное решение. При этом пространство будет либо сжиматься, либо расширяться. При положительной кривизне, когда плотность массы выше критической, кривизна положительна и «Вселенная» сжимается, при плотности меньшей критической кривизна отрицательна и «Вселенная» расширяется. Когда в 1929 году Хаббл обнаружил красное смещение в спектрах удаленных Галактик, он истолковал его по принципу Доплера, согласно которому при удалении источника колебаний идущая от него частота колебаний уменьшается, что для света и означает сдвиг в красную сторону спектра. Это было воспринято как подтверждение вывода Фридмана о нестационарности Вселенной, а точнее о том, что Вселенная расширяется.
Теория относительности произвела революцию прежде всего в понимании мегамира и лишь позднее выяснилось, что на уровне микромира также действуют законы, сформулированные в ней.
хаос релятивистский физика анаксагор
4. Современная физика макро- и микромира
Наиболее фундаментальным результатом, который изменил одну из основных парадигм физики, был вывод о том, что все фундаментальные физические законы имеют статистический характер. Решающее значение при этом имело открытие принципа неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу дельта X, умноженная на дельта P, больше, равно H.
При уменьшении одной из этих погрешностей вторая растет и, таким образом, состояние элементарной частицы всегда оказывается неопределенным. Но если исходное состояние не может быть точно определено, то тем более оказывается неопределенным последующее состояние частицы. Важно, что такая неопределенность присуща не только положению частицы в пространстве, но и ее энергетическому состоянию. Следовательно, с физической точки зрения неопределенность оказывается неотъемлемым свойством всякого физического взаимодействия во всех формах его проявления.
Развитие теории элементарных частиц и квантовой механики позволило поставить ряд фундаментальных физических и философских проблем. Во-первых, это вопрос о неисчерпаемости физической реальности вглубь. Подобно тому, как Эйнштейн и Инфельд доказали теорему, согласно которой общая теория относительности дает столь полное описание движения, что никакой дальнейший качественный прогресс в этой области уже невозможен, точно так же фон Нейман доказал теорему о скрытых параметрах. Согласно этой теореме, законы квантовой механики - это последняя ступень в описании физических взаимодействий в микромире. Более глубокого описания не может быть. Если скрытые параметры и существуют, то они не могут проявиться. Поэтому законы квантовой механики могут основываться не на других физических закономерностях, а лишь на законах больших чисел, то есть на математической структуре. В это пункте физика как бы вновь вернулась к пифагорийскому обоснованию физической реальности.
Между тем исследования в области элементарных частиц были направлены на то, чтобы найти более глубокий уровень организации элементарных частиц. Долгое время казалось, что теорема фон Неймана в определенном смысле подтверждается экспериментом. Такое подтверждение видели в том, что при попытке выявить структуру элементарной частицы, найти те частицы, из которых она состоит, каждый раз возникала парадоксальная ситуация, качественно отличная от взаимодействия на микроуровне. Макротела при достаточно сильном внешнем воздействии распадаются на те части, из которых они состоят. В отличие от этого, если мы прикладываем к элементарной частице даже такую энергию, которая превосходит ее собственную, то есть E = M*C2, где M - масса частицы, на которую осуществляется воздействие, она не разрушается, а порождает частицы того же уровня. Поэтому стали говорить, что неисчерпаемость физической реальности на уровне микромира состоит не в том, что есть более глубокий, более тонкий уровень организации, а в том, что многообразие элементарных частиц образует неисчерпаемое множество свойств и взаимосвязей.
И все же стремление найти более глубокий структурный уровень организации материи сохраняется. На этом пути были созданы несколько теорий, которые частично получили подтверждение в эксперименте. Такова, например, теория кварков, теория партонов, то есть частичных частиц, которые не существуют вне целого, то есть вне своей частицы. Хотя сегодня уже открыты сотни элементарных частиц, большинство из них обладают очень коротким периодом жизни, и только несколько частиц являются стабильными, например электрон, протон, фотон, нейтрино.
Всякое взаимодействие на уровне элементарных частиц осуществляется через виртуальные частицы. Они связывают между собой элементарные частицы. Например, посредством пи-мезонов протоны взаимодействуют с нейтронами, благодаря чему атомные ядра устойчивы. Виртуальные частицы остаются до конца непонятыми и весьма загадочными. С одной стороны, они реально существуют, так как без них не было бы взаимодействия, атомные ядра развалились бы, а электроны не могли бы вращаться по атомным орбитам. С другой стороны, их безусловное существование многие теоретики не признают, так как в этом случае нарушается закон сохранения энергии. Поэтому приходится вслед за Гераклитом утверждать, что они одновременно как существуют, так и не существуют.
Благодаря исследованию, области квантовой механики и элементарных частиц появилась возможность по-новому взглянуть на вакуум. Оказалось, что в вакууме постоянно возникают и исчезают парами частицы и античастицы. Однако время их существования настолько мало, что экспериментально обнаружить их невозможно. Обнаружение таких частиц противоречило бы принципу неопределенности Гейзенберга. Именно в силу краткости существования частиц вакуума тела, движущиеся в нем, практически не испытывают сопротивление. Однако специальными экспериментами, основанными на математических моделях, можно косвенно обнаружить появление и исчезновение виртуальных пар частиц и античастиц. Здесь также мы имеем ситуацию, когда частицы присутствуют в вакууме и в то же время их там нет.
Уже в 1930-е годы стало ясно что в основе всех физических явлений лежат четыре вида взаимодействий. Это гравитационное, имеющее решающее значение на макро- и мегауровнях организации физической реальности; электромагнитные, проявляющиеся на микро- и макроуровнях; сильные взаимодействия, определяющие внутриядерные силы; слабые взаимодействия, определяющие распад протонов. При этом сразу возник вопрос: можно ли эти силы свести к некоторому единству, то есть возникла проблема создания единой теория поля. Естественно, что вначале попытались идти тем путем, который всегда давал хорошие результаты, то есть осуществить редукцию одних законов к другим. Так, Эйнштейн много лет пытался создать единую теорию поля, стремясь вывести из общей теории относительности три другие взаимодействия. Неудача, которая постигла его на этом пути, определялась тем, что успешно вывести одно из другого можно лишь тогда, когда это отражает объективную связь. Между тем все четыре взаимодействия являются следствием более общего исходного взаимодействия. Успех появился лишь тогда, когда потребность объяснить Большой взрыв заставила подойти к этой проблеме эволюционно и начать при этом с самого простого - с вакуума. Именно так разрабатывается эта проблема в моделях Большого взрыва. Если первоначально предполагалось, что исходным состоянием эволюции нашей Вселенной было особое, сверхплотное сгущение вещества и энергии, и затем благодаря взрывному процессу пошел синтез элементарных частиц и тем самым возникло то исходное состояние, в котором уже действовали известные нам четыре физические взаимодействия, то в современной космологии в качестве исходного состоянии принимают вакуум.
Большой взрыв рассматривается как флуктуация вакуума, в процессе которой нарушилось относительное равновесие сил притяжения и отталкивания, что и привело к колоссальному выделению энергии.
Таким образом, наша Вселенная возникает из того, что является предельно простым в современной физической реальности, то есть из вакуума, или из «ничего». Гегель в своей «Логике» утверждал, что развитие идет от ничего через нечто к ничему. В.И. Ленину это утверждение показалось сомнительным, он писал по этому поводу, что к ничему бывает, но из ничего не бывает. Но с точки зрения модели Большого взрыва, как раз из «ничего» и возникает наша Вселенная. Ведь само понятие «небытие» в философии Гегеля относительно, поскольку оно тождественно понятию «бытие». Поэтому начинать с бытия или небытия не имеет в этой философии принципиального значения. Каждое из этих понятий непосредственно превращается в другое, давая тем самым понятие «становление». А становление порождает наличное бытие, то есть такую определенность, в которой уже задано качество. Примерно так же дело обстоит и в космологической модели Большого взрыва. Внутреннее противоречие, заложенное в вакууме, порождает процесс, а результат этого процесса - определенность законов физической реальности.
Заключение
Формирование научной картины мира в эпоху становления и развития классического естествознания в значительной степени зависело от быстро изменяющегося отношения между натурфилософским знанием и знанием, основанным на опытном исследовании. Все более усиливающийся приоритет научного знания и в связи с этим акцентированное внимание к методологической и гносеологической проблематике привел к замене натурфилософской картины мира концепциями природы, в центре которых оказывались фундаментальные для данной эпохи области естествознания.
В то же время процесс формирования подлинно научной картины мира был достаточно противоречив. Так, хотя натурфилософия и гуманизм оказали разрушительное влияние на средневековую схоластику, они быта еще не в состоянии полностью вытеснить миросозерцание элементов схоластического перипатетизма и мистики. Лишь с возникновением классической механики и астрономии основанных на аксиоматике и развитой математике, картина мира приобретает существенные черты научного миросозерцания. Выдающуюся роль в этом процессе сыграла новая гелиоцентрическая парадигма Коперника, галилеевский образ науки, ньютоновская методология в построении системы мира. Стало возможным формирование научной картины мира, в основе которой лежало эмпирически обоснованное знание.
На данный момент наукой установлено огромное многообразие материальных объектов, представляющих микро, макро и мега миры, но остается открытым вопрос, исчерпывают ли эти открытия все существующее вообще. Многообразие материи и её движение бесконечно, при чем не только количественно, но и качественно. Принцип качественной бесконечности природы, означает признание неограниченного многообразие структурных форм материи, различающихся самыми фундаментальными законами бытия.
Список использованной литературы
1.Введение в историю и философию науки. М.: Академический Проект, 2005 -407 с.
.Войтов, А.Г. История и философия науки: учебное пособие для аспирантов - М.: Дашков и К, 2007 - 691 с.
.Горелов А. А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 2007. -226 с.
.Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания. -М.: ИТК «Дашков и К°», 2008. - 378 с.
.Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. - М.: Мир, 2010. - 280 с.
Предыстория физики . Наблюдение физич. явлений происходило еще в глубокой древности. В то время процесс накопления фактических знаний еще не был дифференцирован: физические, геометрические и астрономические представления развивались совместно.
Систематическое накопление фактов и попытки их объяснения и обобщения, предшествовавшие созданию физики (в современном понимании слова), особенно интенсивно происходило в эпоху греческо-римской культуры (6 в. до н. э. - 2 в. н. э.). В эту эпоху зародились первоначальные идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была создана геоцентрическая система мира (Птолемей), появились зачатки гелиоцентрической системы (Аристарх Самосский), были установлены некоторые простые законы статики (правила рычага, центра тяжести), получены первые результаты прикладной оптики (изготовлены зеркала, открыт закон отражения света, обнаружено явление преломления), открыты простейшие начала гидростатики (закон Архимеда). Простейшие явления магнетизма и электричества были известны еще в глубокой древности.
Учение Аристотеля (389 – 322 до н.э.) подвело итог знаниям предшествующего периода 1 . Канонизированное церковью учение Аристотеля превратилось в тормоз дальнейшего развития физической науки. После тысячелетнего застоя и бесплодия физика возродилась лишь в 15-16 вв. в борьбе против схоластической философии. Возрождение науки было обусловлено главным образом потребностями производства в мануфактурный период. Великие географические открытия, в частности открытие Америки, содействовали накоплению множества новых наблюдений и ниспровержению старых предрассудков. Развитие ремёсел, судоходства и артиллерии создало стимулы для научного исследования . Научная мысль сосредоточилась на задачах строительства, гидравлики и баллистики, усилился интерес к математике. Развитие техники создало возможности для эксперимента . Леонардо да Винчи поставил целую серию физических вопросов и пытался разрешить их путём опыта. Ему принадлежит изречение: «опыт никогда не обманывает, обманчивы только наши суждения» .
Однако в 15-16 веках отдельные физические наблюдения и опытные исследования носили случайный характер . Лишь 17 век положил начало систематическому применению экспериментального метода в физике и непрекращающемуся с тех пор росту физического знания.
Первый период развития физики , получивший название классического, начинается с трудов Галилео Галилея (1564 – 1642) . Именно Галилей был творцом экспериментального метода в физике . Тщательно продуманный эксперимент, отделение второстепенных факторов от главного в изучаемом явлении, стремление к установлению точных количественных соотношений между параметрами явления - таков метод Галилея. С помощью этого метода Галилей заложил первоначальные основы динамики . Галилей опроверг ошибочные утверждения механики Аристотеля: он, в частности, сумел показать, что не скорость, а ускорение есть следствие внешнего воздействия на тело. В своём труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки...» (1638) Галилей убедительно обосновывает этот вывод, представляющий собой первую формулировку закона инерции , устраняет видимые противоречия. Он доказывает на опыте, что ускорение свободного падения тел не зависит от их плотности и массы. Рассматривая движение брошенного тела, Галилей находит закон сложения движений и по существу высказывает положение о независимости действия сил. В «Беседах» излагаются также сведения о прочности тел. Им были сформулированы также идеи об относительности движения (принцип относительности), движения тел по наклонной плоскости (фактически он открыл два первых закона Ньютона).
В трудах Галилея и Блеза Паскаля были заложены основы гидростатики . Галилею принадлежат важные открытия и в других областях физики. Он впервые подтверждает на опыте явление поверхностного натяжения, изученное много позже. Галилей обогащает прикладную оптику своим телескопом, а его термометр привёл к количественному изучению тепловых явлений .
В 1-й половине 17 века возникает физическое учение о газах, имевшее большое практическое значение. Ученик Галилея Э. Торричелли открывает существование давления воздуха и создаёт первый барометр . О. Герике изобретает воздушный насос и окончательно опровергает аристотелевское утверждение о «боязни пустоты». Р. Бойль и несколько позднее Э. Мариотт исследуют упругость газов и открывают известный под их именем закон. В. Снеллиус (Голландия) и Р. Декарт (Франция) открывают закон преломления света. К этому же времени относится создание микроскопа. Наблюдения над магнитами (в кораблевождении) и над электризацией при трении дают ценные сведения в области электростатики и магнитостатики, зачинателем к-рых следует признать английского естествоиспытателя У. Гильберта .
Ещё богаче событиями 2-я половина 17 века. «Беседы» Галилея положили начало исследованиям основ механики . Изучение криволинейного движения (X. Гюйгенс ) подготовило открытие основного закона механики - соотношения между силой, массой и ускорением, впервые сформулированного И. Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии» (1687) . Ньютоном был установлен и основной закон динамики системы (равенство действия противодействию), в котором нашли своё обобщение предшествующие исследования удара тел (X. Гюйгенс). Впервые выкристаллизовываются основные понятия физики -- понятия пространства и времени .
Исходя из законов движений планет, установленных Кеплером, Ньютон в «Началах» впервые формулирует закон всемирного тяготения , который пытались найти многие учёные 17 века. Ньютон подтвердил этот закон, вычислив ускорение Луны на её орбите исходя из измеренного в 70-х годах 17 века значения ускорения силы тяжести. Он объяснил также возмущения движения Луны и причину морских приливов и отливов. Значение этого открытия Ньютона невозможно переоценить. Оно показало современникам могущество науки. Оно изменило всю прежнюю картину мироздания .
В это же время X. Гюйгенс и Г. Лейбниц формулируют закон сохранения количества движения (ранее высказанный Декартом в неточной форме) и закон сохранения живых сил. Гюйгенс создаёт теорию физического маятника и конструирует часы с маятником. Один из разностороннейших учёных 17 века Р. Гук (Англия) открывает известный под его именем закон упругости . М. Мерсенн (Франция) закладывает основы физической акустики ; он изучает звучание струны и измеряет скорость звука в воздухе.
В эти годы, в связи со всё большим применением зрительных труб, быстро развивается геометрическая оптика и закладываются основы физической оптики . Ф. Гримальди (Италия) в 1665 открывает диффракцию света. Ньютон разрабатывает своё учение о дисперсии и интерференции света. Он выдвигает гипотезу световых корпускул. С оптических исследований Ньютона берёт начало спектроскопия. О. Рёмер (Дания) в 1672 измеряет скорость света. Современник Ньютона Гюйгенс разрабатывает первоначальные основы волновой оптики , формулирует известный под его именем принцип распространения волн (световых), исследует и объясняет явление двойного лучепреломления в кристаллах 2 .
Таким образом, в 17 веке были созданы основы механики и начаты исследования в важнейших направлениях физики -- в учении об электричестве и магнетизме, о теплоте, физической оптике и акустике.
В 18 в. продолжается дальнейшая разработка всех областей физики. Ньютоновская механика становится разветвлённой системой знаний, охватывающей законы движения земных и небесных тел. Трудами Л. Эйлера , франц. учёного А. Клеро и др. создаётся небесная механика , доведённая до высокого совершенства П. Лапласом . В своём развитом виде механика становится основой машинной техники того времени, в частности гидравлики.
В других разделах физики в 18 веке происходит дальнейшее накопление опытных данных, формулируются простейшие законы. В. Франклин формулирует закон сохранения заряда . В середине 18 века был создан первый электрический конденсатор (лейденская банка П. Мушенбрука в Голландии), давший возможность накапливать большие электрические заряды, что облегчило исследование закона их взаимодействия. Этот закон, являющийся основой электростатики, был открыт независимо друг от друга Г. Кавендишем и Дж. Пристли (Англия) и Ш. Кулоном (Франция). Возникло учение об атмосферном электричестве . В. Франклин в 1752 и годом позднее М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман изучали грозовые разряды и доказали электрическую природу молнии.
В оптике начала создаваться фотометрия: английские учёные В. Гершель и У. Волластон открыли инфракрасные лучи , а немецкий учёный И. Риттер - ультрафиолетовые . Развитие химии и металлургии стимулировало разработку учения о теплоте : было сформулировано понятие теплоёмкости, измерены теплоёмкости различных веществ, основана калориметрия. Ломоносов предсказал существование абсолютного нуля. Были начаты исследования теплопроводности и теплового излучения, изучение теплового расширения тел. В этот же период была создана и начала совершенствоваться паровая машина .
Правда, теплоту представляли себе в виде особой невесомой жидкости - теплорода. Аналогичным образом наэлектризованность тел объяснялась при помощи гипотезы электрической жидкости, магнитные явления - магнитной жидкостью. В целом, в течение 18 века модели невесомой жидкости проникли во все разделы физики. В их существовании не сомневалось подавляющее большинство исследователей! Это было следствием убеждения, что различные физические явления - тепловые, электрические, магнитные, оптические - между собой не связаны, независимы друг от друга . Полагали, что каждое явление имеет своего «носителя», особую субстанцию. Лишь немногие передовые умы, в числе которых были Эйлер и Ломоносов, отрицали наличие невесомых материй и усматривали в тепловых явлениях и свойствах газов скрытое, но непрекращающееся движение мельчайших частиц. В этом различии мнений проявлялось различие физических «картин мира» - ньютоновской и картезианской , возникших еще в 17 веке.
Последователи Декарта (Картезия) рассматривали все физические явления как разнообразные движения одной и той же первоматерии, единственными свойствами которой являются протяжённость и инертность. Он полагал, что в результате различных движений и столкновений частей первоматерии образуются частицы вещества (корпускулы) различного объёма и формы, между которыми двигаются частицы наиболее утонченной формы материи - эфира. Задачу физики последователи Декарта усматривали в создании чисто механических моделей явлений . Всемирное тяготение, электрические и магнитные взаимодействия, химические реакции - всё объяснялось различными вихрями в эфире, связывающими или разъединяющими частицы вещества.
Однако эта картина мира встречала возражения еще в середине 17 века. Наиболее убедительно её неудовлетворительность была показана Ньютоном в «Началах». Ньютон доказал, что объяснение всемирного тяготения, данное картезианцами, противоречит фактам: вихри в эфире, к-рые, по мнению Декарта, сплошь заполняют всю солнечную систему и увлекают с собой планеты, исключают возможность свободного прохождения комет сквозь солнечную систему без потери ими движения.
Картина мира Ньютона основана на представлении об атомах, разделённых пустотой и мгновенно взаимодействующих через пустоту силами притяжения или отталкивания (дальнодействие). Силы , по Ньютону, являются первичным, изначальным свойством тех или иных видов частиц ; такая сила, как тяготение, свойственна всем частицам вещества. В отличие от картезианцев, Ньютон считал возможным несохранение механического движения в природе. Ньютон усматривал главную задачу физики в отыскании сил взаимодействия между телами . Он не исключал и существования эфира, но рассматривал его как тонкий упругий газ, заполняющий поры тел и взаимодействующий с веществом.
Борьба ньютоновских и картезианских идеи длилась в течение почти двух веков. Одни и те же законы природы истолковывались по-разному сторонниками этих двух направлений. В 18 веке взгляды Ньютона восторжествовали в физике и оказали глубокое влияние на её дальнейшее развитие. Они способствовали внедрению математических методов в физику . Вместе с тем они на 100 лет укрепили идею дальнодействия . Картезианские тенденции снова возродились во 2-й половине 19 века , после создания волновой теории света, открытия электромагнитного поля и закона сохранения энергии.
Второй период истории физики начинается в первом десятилетии 19 века. В 19 веке были сделаны важнейшие открытия и теоретические обобщения, придавшие физике характер единой целостной науки . Единство различных физических процессов нашло выражение в законе сохранения энергии . Решающую роль в экспериментальной подготовке этого закона сыграли открытие электрического тока и исследование его многообразных действий, а также изучение взаимных превращений теплоты и механической работы. В 1820 X. К. Эрстед (Дания) открыл действие электрического тока на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда послужил импульсом для исследований А. Ампера, Д. Араго и др. Закон взаимодействия двух электрических токов, найденный Ампером, стал основой электродинамики . При живейшем участии других исследователей Ампер в короткое время выяснил связь магнитных явлений с электрическими , сведя, в конце концов, магнетизм к действиям токов. Так прекратила своё существование идея магнитных жидкостей . В 1831 Фарадей открыл электромагнитную индукцию, осуществив, таким образом, свой замысел: «превратить магнетизм в электричество».
На этом этапе развития значительно усилилось взаимное влияние физики и техники . Развитие паровой техники ставило многочисленные проблемы перед физикой. Физические же исследования взаимного превращения механической энергии и теплоты, увенчавшиеся созданием термодинамики , послужили основой для усовершенствования тепловых двигателей. После открытия электрического тока и его законов начинается развитие электротехники (изобретение телеграфа, гальванопластики, динамомашины), которая, в свою очередь, способствовала прогрессу электродинамики .
В 1-й половине 19 века происходит крушение идеи невесомых субстанций . Этот процесс совершался медленно и с большим трудом. Первую брешь в господствовавшем тогда физическом мировоззрении пробила волновая теория света (англ. учёный Т. Юнг , франц. учёные О. Френель и Д. Араго ) 3 . Вся совокупность явлений интерференции, диффракции и поляризации света, в особенности явления интерференции поляризованных лучей, не могла быть теоретически истолкована с корпускулярной точки зрения и в то же время находила полное объяснение в волновой теории , согласно которой свет представляет собой поперечные волны, распространяющиеся в среде (в эфире). Таким образом, световое вещество было отвергнуто еще во втором десятилетии 19-го века.
Более живучим , по сравнению со световым веществом и магнитной жидкостью, оказалось представление о теплороде . Хотя опыты Б. Румфорда , доказавшие возможность получения неограниченного количества теплоты за счёт механической работы, находились в явном противоречии с идеей особой тепловой субстанции, последняя продержалась вплоть до середины века; казалось, что только с её помощью можно объяснить скрытую теплоту плавления и испарения. Заслуга создания кинетической теории, зачатки которой относятся еще ко временам Ломоносова и Д. Бернулли, принадлежала английским учёным Дж. Джоулю, У. Томсону (Кельвину) и немецкому учёному Р. Клаузиусу .
Так, в результате многосторонних и длительных опытов, в условиях трудной борьбы с отжившими представлениями была доказана взаимная превратимость различных физических процессов и тем самым единство всех известных тогда физических явлений .
Непосредственное доказательство сохранения энергии при любых физических и химических превращениях было дано в трудах Ю. Майера (Германия), Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца . После того как закон сохранения энергии завоевал всеобщее признание (в 50-x годах 19 века), он стал краеугольным камнем современного естествознания. Закон сохранения энергии и принцип изменения энтропии [Р. Клаузиус, У. Томсон (Кельвин)] составили основу термодинамики ; они формулируются обычно как первое и второе начала термодинамики.
Доказательство эквивалентности теплоты и работы подтвердило взгляд на теплоту как на неупорядоченное движение атомов и молекул . Трудами Джоуля, Клаузиуса, Максвелла, Больцмана и других была создана кинетическая теория газов . Уже на первых этапах развития этой теории, когда молекулы еще рассматривались как твёрдые упругие шарики, удалось раскрыть кинетический смысл таких термодинамических величин, как температура и давление. Кинетическая теория газов дала возможность рассчитать средние пути пробега молекул, размеры молекул и их число в единице объёма.
Идея единства всех физических процессов привела во 2-й половине 19 века к радикальной перестройке всей физики, к объединению её в два больших раздела - физику вещества и физику поля . Основой первой стала кинетическая теория, второй - учение об электромагнитном поле.
Кинетическая теория, оперирующая со средними величинами, впервые ввела в физику методы теории вероятностей . Она послужила исходным пунктом статистической физики - одной из самых общих физических теорий. Основы статистической физики были систематизированы уже на пороге 20 века американским учёным Дж. Гиббсом .
Столь же фундаментальное значение имело открытие электромагнитного поля и его законов . Создателем учения об электромагнитном поле был М. Фарадей . Он первый высказал мысль о том, что электрические и магнитные действия не переносятся непосредственно от одного заряда к другому, а распространяются через промежуточную среду. Воззрения Фарадея на поле были математически разработаны Максвеллом в 60-х годах 19-го века, которому удалось дать полную систему уравнений электромагнитного поля. Теория поля стала столь же последовательной, как и механика Ньютона.
Теория электромагнитного поля приводит к идее о конечной скорости распространения электромагнитных действий , высказанной Максвеллом (предвосхищенной еще ранее Фарадеем). Эта мысль дала возможность Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн . Максвелл сделал также заключение об электромагнитной природе света . Электромагнитная теория света слила воедино электромагнетизм и оптику.
Однако общепризнанной теория электромагнитного поля стала только после того, как немецкий физик Г. Герц на опыте обнаружил электромагнитные волны и доказал, что они следуют тем же законам преломления, отражения и интерференции, что и световые волны.
Во 2-й половине 19 века значительно выросла роль физики в технике. Электричество нашло применение не только как средство связи (телеграф, телефон), но и как способ передачи и распределения энергии и как источник освещения. В конце 19 века электромагнитные волны были использованы для беспроволочной связи (А. С. Попов, Маркони ), чем было положено начало радиосвязи. Техническая термодинамика содействовала развитию двигателей внутреннего сгорания. Возникла техника низких температур . В 19 веке были сжижены все газы, за исключением гелия, который удалось получить в жидком состоянии только в 1908 (голландский физик Г. Каммерлинг-Оннес ).
Физика к концу 19 века представлялась современникам почти завершённой . Утвердилась концепция механистического детерминизма Лапласа, исходившая из возможности однозначно определить поведение системы в любой момент времени, если известные исходные условия. Многим казалось, что физические явления можно свести к механике молекул и эфира, ибо объяснить физические явления значило в то время свести их к механическим моделям, легко доступным на основе повседневного опыта . Механическая теория тепла, упругий (либо вихревой) эфир как модель электромагнитных явлений - так выглядела до конца 19 века физическая картина мира . Эфир представлялся подобным веществу по ряду своих свойств, но, в отличие от вещества, невесомым или почти невесомым (некоторые подсчёты приводили к весу шара из эфира, по объёму равного Земле, в 13 кг).
Однако механические модели наталкивались на тем большие противоречия, чем детальнее их пытались разработать и применять. Модели эфирных вихревых трубок, созданные для объяснения переменных полей, были непригодны для объяснения постоянных электрических полей. Наоборот, различные модели постоянного поля не объясняли возможности распространения электромагнитных волн. Наконец, ни одна модель эфира не была в состоянии наглядно объяснить связь поля с дискретными зарядами. Неудовлетворительными оказались и различные механические модели атомов и молекул (напр., вихревая модель атома, предложенная У. Томсоном).
Невозможность сведения всех физических процессов к механическим породила у некоторых физиков и химиков стремление вообще отказаться от признания реальности атомов и молекул, отвергнуть реальность электромагнитного поля . Э. Мах провозгласил задачей физики «чистое описание» явлений. Немецкий учёный В. Оствальд выступил против кинетической теории и атомистики в пользу так называемой энергетики -- универсальной, чисто феноменологической термодинамики, как единственно возможной теории физических явлений.
Третий (современный) период истории физики , получивший название неклассической или квантово-релятивистской физики , начинается в последние годы 19 века. Этот период характеризуется направлением исследовательской мысли вглубь вещества, к его микроструктуре . Новая эпоха в истории физики начинается с обнаружения электрона и исследования его действии и свойств (английский. учёный Дж. Томсон , голландский учёный Г. Лоренц ).
Важнейшую роль сыграли при этом исследования электрических разрядов в газах. Выяснилось, что электрон - элементарная частица определённой массы, обладающая наименьшим электрическим зарядом и входящая в состав атома любого химического элемента. Это означало, что атом не элементарен, а представляет собой сложную систему . Было доказано, что число электронов в атоме и их распределение по слоям и группам определяют электрические, оптические, магнитные и химические свойства атома; от структуры электронной оболочки зависят поляризуемость атома, его магнитный момент, оптический и рентгеновский спектры, валентность.
С динамикой электронов и их взаимодействием с полем излучения связано создание наиболее общих теорий современной физики - теории относительности и квантовой механики .
Изучение движений быстрых электронов в электрических и магнитных полях привело к заключению, что классическая ньютоновская механика к ним неприменима. Такой фундаментальный атрибут материальной частицы, как масса, оказался не постоянным, а переменным, зависящим от состояния движения электрона. Это было крушением укоренившихся в физике представлений о движении и о свойствах частиц .
Выход из противоречий был найден А. Эйнштейном , создавшим (в 1905) новую физическую теорию пространства и времени, теорию относительности . В дальнейшем Эйнштейном была создана (в 1916) общая теория относительности , преобразовавшая старое учение о тяготении
Не менее важным и действенным обобщением физических фактов и закономерностей явилась квантовая механика , созданная в конце первой четверти 20 века в результате исследований взаимодействия излучения с частицами вещества и изучения состояний внутриатомных электронов. Исходная идея квантовой механики состоит в том, что все микрочастицы обладают двойственной корпускулярно-волновой природой .
Эти радикально новые представления о микрочастицах оказались чрезвычайно плодотворными и действенными. Квантовой теории удалось объяснить свойства атомов и происходящие в них процессы, образование и свойства молекул, свойства твёрдого тела, закономерности электромагнитного излучения.
Двадцатый век. ознаменовался в физике мощным развитием экспериментальных методов исследования и измерительной техники . Обнаружение и счёт отдельных электронов, ядерных и космических частиц, определение расположения атомов и электронной плотности в кристаллах и в отдельной молекуле, измерения промежутка времени порядка 10 -10 сек., наблюдение за перемещением радиоактивных атомов в веществе - всё это характеризует скачок измерительной техники за несколько последних десятилетий.
Небывалые по мощности и масштабам средства исследования и производства были направлены на изучение ядерных процессов . Последние 25 лет ядерной физики, тесно связанной с космическими лучами, а затем с созданием мощных ускорителей, привели к технической революции и создали новые, исключительно тонкие методы исследования не только в физике, но и в химии, биологии, геологии, в самых разнообразных областях техники и сельского хозяйства.
Соответственно с ростом физических исследований и с растущим их влиянием на другие естественные науки и на технику резко увеличилось число физических журналов и книг. В конце 19 века в Германии, Англии, США и в России издавался, помимо академических, всего один физический журнал. В настоящее время в России, США, Англии, Германии издаётся более двух десятков журналов (в каждой стране).
Ещё в большей степени выросло число исследовательских учреждений и научных работников . Если в 19 веке научные исследования вели главным образом физические кафедры университетов, то в 20 веке во всех странах появились и стали увеличиваться по числу и по своим масштабам исследовательские институты по физике или по отдельным её направлениям. Некоторые из институтов, в особенности в области ядерной физики, обладают таким оборудованием, которое по своим масштабам и по стоимости превосходит масштабы и стоимость заводов.
Всю историю развития физики, как и естествознания, можно условно разделить на три этапа - доклассический, классический и современный.
Этап доклассической физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать обоснованным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Этот этап - самый длительный: он охватывает период от времени Аристотеля (IV в. до н.э.) до конца XVI в.
Начало этапа классической физики связывают с работами итальянского ученого Галилео Галилея, одного из основателей точного естествознания, и трудами английского математика, механика, астронома и физика Исаака Ньютона, основоположника классической физики. Второй этап длился около трех веков до конца XIX в.
К началу XX в. были получены экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. Поэтому был предложен совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовую гипотезу впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк, вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. С введением квантовой концепции начинается третий этап развития физики - этап современной физики , включающий не только квантовые, но и классические представления.
Этап доклассической физики открывает геоцентрическая система мировых сфер Аристотеля, которая родилась на подготовленной его предшественниками идейной почве. Переход от эгоцентризма - отношения к миру, характеризующегося сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму - первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, дополнилась аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал более завершенным, но оставался ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов - обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтвердились гораздо позднее - в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел, доживало свои последние годы.
Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему древнегреческого астронома Клавдия Птолемея (ок. 90-ок. 160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы польского математика и астронома Николая Коперника. В центре гелиоцентрической системы находится не Земля, а Солнце. Вершина гелиоцентрической системы - законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером, одним из творцов естествознания Нового времени.
Астрономические открытия Галилео Галилея, его физические эксперименты и фундаментальные законы механики, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало этапу классической физики, который нельзя отделить четкой границей от первого этапа. Для физики и естествознания в целом характерно поступательное развитие: законы Кеплера - венец гелиоцентрической системы с весьма длительной, начавшейся еще в древние времена историей; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики. Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т.е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной. Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил представление Аристотеля об инерции, характеризующее равномерное движение небесных тел вокруг Земли, применять для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении.
Кеплер и Галилей пришли к своим кинематическим законам, предопределившим принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения Ньютона послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, открытой в 1781 г. английским астрономом Уильямом Гершелем (1738-1822), английский астроном и математик Джон Адаме (1819-1892) и французский астроном
бен Леверье (1811-1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование заурановой планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812-1910). Она называется Нептун. В 1915 г. американский астроном Персиваль Ловелл (1855-1916) рассчитал и организовал поиск еще одной планеты. Ее обнаружил в 1930 г. молодой американский любитель астрономии Клайд Томбо. Эта планета получила название Плутон.
Этап классической физики характеризуется крупными достижениями не только в классической механике, но и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т.п. Назовем важнейшие из них:
- * установлены опытные газовые законы;
- * предложено уравнение кинетической теории газов;
- * сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;
- * открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;
- * разработана электромагнитная теория;
- * явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование;
- * сформулированы законы поглощения и рассеивания света.
Конечно, можно назвать и другие не менее важные естественно-научные достижения. Особое место в физике занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Дж.К. Максвеллом, создателем теории классической электродинамики, одним из основоположников статистической физики. Он установил, кроме того, статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Теория электромагнитного поля (уравнения Максвелла) объяснила многие известные к тому времени явления и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и эта теория оказалась не всесильной.
В конце XIX в. при экспериментальном изучении спектра излучения абсолютно черного тела была установлена закономерность распределения энергии. Полученные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. Такие результаты эксперимента не удалось объяснить в рамках классической электродинамики Максвелла. Эта проблема была названа «ультрафиолетовой катастрофой».
Согласующееся с экспериментом объяснение предложил в 1900 г. Макс Планк. Для чего ему пришлось отказаться от общепринятого положения классической физики о том, что энергия любой системы изменяется только непрерывно, т.е. принимает любые сколь угодно близкие значения. В соответствии с выдвинутой Планком квантовой гипотезой атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте.
Характерная особенность этапа современной физики заключается в том, что наряду с классическими развиваются квантовые представления. На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц - появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.
В одной из своих статей М. Планк писал о том, как во времена его молодости (примерно в 1880 г.) один уважаемый профессор не советовал заниматься физикой, полагая, что в физике осталось только стирать пыль с существующих физических приборов, так как главное уже сделано. Сейчас очевидно: профессор в своих прогнозах ошибался - XX столетие принесло немало великих открытий в физике, определивших многие перспективные направления развития разных отраслей естествознания.
В формировании квантово-механических представлений важную роль сыграла квантовая теория фотоэффекта, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. Именно за эту работу и вклад в теоретическую физику, а не за теорию относительности, ему в 1921 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.
В развитие современной физики существенный вклад внесли выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Нильса Бора (1885-1962), создавшего квантовую теорию атома, немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга (1901-1976), сформулировавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вариант квантовой механики, финского физика-теоретика Эрвина Шредингера (1887-1961), разработавшего волновую механику и предложившего ее основное уравнение (уравнение Шредингера), английского физика Поля Дирака, разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основании предсказавшего существование позитрона, английского физика Эрнеста Резерфорда (1871-1937), создавшего учение о радиоактивности и строении атома, и многих других.
В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность и выдвигались идеи о строении атомного ядра. В 1938 г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.
В исследовании ядерных процессов важную роль играют детекторы частиц, в том числе и черенковский счетчик, принцип действия которого основан на Черенкова - Вавилова излучении света, которое возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превосходящей фазовую скорость света в нем. Это излучение было обнаружено в 1934 г. нашим соотечественником, физиком П.А. Черенковым (1904-1990), лауреатом Нобелевской премии 1958 г., под руководством академика СИ. Вавилова (1891-1951), основателя научной школы физической оптики.
Одно из крупнейших достижений физики XX в. - это, безусловно, создание в 1947 г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли, удостоенными в 1956 г. Нобелевской премии по физике. С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология - полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания - микроэлектроника. В 1958 г. собрана первая интегральная схема в виде пластины из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой располагались два транзистора и RC-цепи. Современный микропроцессор размером 1,8 см содержит около 8 млн транзисторов. Если размеры элементов первых транзисторов составляли доли миллиметра, то сегодня они равны 0,35 мкм. Это современный технологический уровень. В последнее время разрабатывается технология формирования элементов нанометровых размеров.
Создание квантовых генераторов на основе вынужденного излучения атомов и молекул - еще одно важнейшее достижение физики XX в. Первый квантовый генератор на молекулах аммиака - источник электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне (мазер) - разработан в 1954 г. российскими физиками Н.Г. Басовым, A.M. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом. В 1964 г. за эту работу им присуждена Нобелевская премия по физике. К настоящему времени разработано много модификаций квантовых генераторов, в том числе и оптических квантовых генераторов, называемых лазерами, получивших широкое практическое применение. Появились уникальные лазеры - химические, атомные и другие, которые открывают перспективные направления лазерных технологий.
Высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 г. немецким физиком Г. Беднорцем и швейцарским ученым А. Мюллером, удостоенными Нобелевской премии 1987 г., - вне всякого сомнения выдающееся достижение современного естествознания. Созданию единой теории фундаментальных взаимодействий, управлению термоядерным синтезом - этим и многим другим проблемам современной физики уделяется большое внимание, и в их решении принимают участие ученые многих стран.
Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит , Эпикур , Лукреций),была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.
Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем . Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.
Наука возродилась лишь в 15–16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15–16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.
Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).
Развитие Ф. как науки в современном смысле этого слова берёт начало с трудов Г. Галилея (1-я половина 17 в.), который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике (см. Галилея принцип относительности), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника. Значительные результаты были получены им и в др. областях Ф. Он построил зрительную трубу с большим увеличением и сделал с её помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения Галилсем первого термометра.
В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В.Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У.Гильбертом . Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.
Основным достижением Ф. 17 в. было создание классической механики. Развивая идеи Галилея, Х.Гюйгенса и др. предшественников, И. Ньютон в труде "Математические начала натуральной философии" (1687) сформулировал все основные законы этой науки (см. Ньютона законы механики). При построении классической механики впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне. С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы.
Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге , Ньютон открыл закон всемирного тяготения (см. Ньютона закон тяготения). С помощью этого закона удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели никаких изменений.
Большое значение для развития Ф. имело открытие Л. Гальвани и А. Вольта электрического тока. Создание мощных источников постоянного тока – гальванических батарей – дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Было исследовано химическое действие тока (Г. Дэви , М. Фарадей). В. В. Петров получил электрическую дугу. Открытие Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами – электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов (Ампера закон).
В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная). При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента – электромагнитного поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи – электромагнитного поля.
Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго начала термодинамики . Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака , на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым .
Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.
На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды – газа – Джоуль, Клаузиус и др. вычислили средние значения различных физических величин: скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега и т.д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.
Второй этап развития молекулярно-кинетической теории начался с работ Дж. К. Максвелла . В 1859, введя впервые в Ф. понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям (см. Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистической механики. Л.Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетической энергии по степеням свободы.
Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения , подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена .
Во 2-й половине 19 в. длительный процесс изучения электромагнитных явлений был завершен Максвеллом. В своей основной работе "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект – порождение магнитного поля переменным электрическим полем (см. Ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Р. Герцем (1886–89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.
Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта , справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.
Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.
В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.
На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.
В конце 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абсолютного нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком , показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классической электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h = 6,6×10 -27 эрг ×сек, получивший впоследствии название постоянной Планка.
В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. с. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта , не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.
Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). "Квантование" излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н.Бором в 1913.
В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В.Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.
Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.
В работах Ф. Блоха , Х. А. Бете и Л. Неель Гинзбурга квантовой электродинамики. Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота a-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко , Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.
Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.
В 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235 U и создана атомная бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления 235 U в мирных, промышленных целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы во многих странах.
нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – резонансы , среднее время жизни которых составляет всего 10 -22 –10 -24 сек. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля – теории, ещё далёкой от завершения.
