Глава 1. Введение
Понятие «физическая картина мира» употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания — самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий.
Ключевым в физической картине мира служит понятие «материя», на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым — континуальным. Затем, в XX в., континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.
Этапы построения современной физической картины мира:
- Классическая физика: механика, оптика, термодинамика, электродинамика
- Неклассическая физика: специальная и общая теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля, элементы построения единой теории поля.
История: Ядром первой естественно-научной картины мира стало учение Аристотеля. По Аристотелю, каждая вещь — соединение материи и формы. При этом материя данной вещи является в свою очередь формой для материи тех элементов, из которых эта вещь состоит.
Первоматерия лишена всякой формы, всяких свойств и качеств. Это – субстанция, не имеющая определенности. Соединяясь с простейшими формами, она образует первые элементы, из которых состоят все вещи. Простейшие формы – теплое, холодное, сухое и влажное. Соединяясь с первоматерией, они образуют четыре первоэлемента: огонь, воздух, вода и земля. Вещество непрерывно, то есть любой кусочек вещества можно бесконечно дробить на более мелкие кусочки.
Центральное понятие аристотелевской физики – понятие движения. Аристотель разработал первую историческую форму учения о движении – механику. Все механические движения он разбивает на две большие группы: движение небесных тел в надлунном мире; движение тел в подлунном, земном мире.
Движение небесных тел – наиболее совершенное. Оно представляет собой вращательное равномерное круговое движение, или движение, сложенное из таких простых круговых равномерных движений. Совершенство кругового движения в том, что у него нет ни начала, ни конца; оно вечно и неизменно, не имеет материальной причины.
В период позднего Средневековья (XIV—XV вв.) постепенно осуществляется пересмотр основных представлений античной естественно-научной картины мира и складываются предпосылки для создания нового естествознания, новой физики, новой астрономии.
Качественные сдвиги происходят также в кинематике и динамике. В кинематике средневековые схоласты вводят понятия «средняя скорость», «мгновенная скорость», «равноускоренное движение» (они его называли «униформно-дифформное»). Мгновенную скорость в данный момент они определяют как скорость, с какой стало бы двигаться тело, если бы с этого момента времени его движение стало равномерным. Постепенно вызревает понятие ускорения. Схоласты уже догадываются, что путь, пройденный телом при равноускоренном движении без начальной скорости за известный промежуток времени, равен пути, который пройдет это же тело за то же время с постоянной скоростью, равной средней скорости равноускоренного движения.
В эпоху позднего Средневековья в динамике значительное развитие получила теория импетуса (лат. impetus — стремительность, напор), которая была мостом, соединявшим динамику Аристотеля с динамикой Галилея. Французский философ-схоласт Жан Буридан (XIV в.) объяснял падение тел с точки зрения теории импетуса. Он считал, что при падении тел тяжесть запечатлевает в падающем теле импетус, поэтому и скорость его во время падения возрастает. Величина импетуса, по его мнению, определяется и скоростью, сообщенной телу, и «качеством материи» этого тела. Импетус расходуется в процессе движения на преодоление трения; когда импетус растрачивается, тело останавливается.
Возникновение классической механики явилось началом превращения физики в строгую науку, систему знаний в 16-17 веках. Это связано с именами Галилео Галилея и Исаака Ньютона. Они заложили основы экспериментально-математического взгляда на природу.
Галилей: разработка понятий и принципов «земной динамики».
Исторический вклад Галилея в механику состоит в следующем:
+ он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движений;
+ сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости);
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
+ показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;
+ вывел формулу, связывающую ускорение, путь и время:
S = 1/2 at2;
+ сформулировал принцип инерции (если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения);
+ выработал понятие инерциальной системы;
+ сформулировал принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);
+ открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).
На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, X. Гюйгенс получил решения задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение для определения центробежной силы.
Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют «отец современного естествознания»
Ньютон: в работе « Математические начала натуральной философии» вводит понятие масса или количество материи, инерция или свойство тела сопротивляться изменению состояния покоя или движения, вес как мера массы, сила, или действие, производимое на тело для изменения его состояния. Закон всемирного тяготения: сила тяготения действует между всеми материальными телами на расстоянии.
Корпускулярная теория света. Оптика – важнейшая часть физики, более «молодая», чем механика. Начало научной оптики связано с открытием законов отражения и преломления света в начале XVII в. (В. Снеллиус, Р. Декарт). Большую трудность для зарождающейся оптики представляло объяснение цветов. Поэтому по праву вторым великим достижением Ньютона было открытие (1666) того, что белый свет состоит из света различных цветов и, следовательно, цветной свет имеет более простую природу, чем белый.
Ньютон изобрел в 1668 г. отражательный зеркальный телескоп — рефлектор. В 1672 г. он построил первый в мире рефлектор.
В 1672 г. Ньютон изложил перед членами Лондонского королевского общества и свою новую корпускулярную концепцию света. В соответствии с этой концепцией свет представляет собой поток «световых частиц», наделенных изначальными неизменными свойствами и взаимодействующих с телами. Корпускулы распространяются в эфире и взаимодействуют с ним, сгущая или разряжая его. Цвет — это не результат преломления или отражения света в среде. Цвет присущ свету изначально и связан со свойствами корпускул. Корпускулярная теория хорошо объясняла аберрацию и дисперсию света, но плохо объясняла интерференцию, дифракцию и поляризацию света.
Вместе с тем Ньютон со вниманием относился и к высказанной нидерландским ученым X. Гюйгенсом волновой теории света (1690), в соответствии с которой свет — это волновое движение в эфире. На основе волнового принципа Гюйгенсу удалось вывести законы отражения и преломления света.
В XVII в. широко обсуждался и вопрос о том, конечна или бесконечна скорость света. Долгое время для эмпирического обоснования ответа на этот вопрос не было достаточных фактов. Большое значение для развития физических идей имело открытие О. Рёмера, сделанное им на основе наблюдений затмения одного из спутников Юпитера в 1676 г., что скорость света в пустом пространстве конечна и равна 300 000 км/с.
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
7.1.6. Волновая теория света. Интерес к оптическим проблемам в начале XIX в. был продиктован развитием учения об электричестве, химии и паротехнике. Казалось очень вероятным, что в природе теплоты, света и электричества есть нечто общее. Открытие и изучение фотохимических реакций, химических реакций с выделением теплоты и света, тепловых и химических действий электричества — все это заставляло думать, что изучение света окажется полезным для решения важных научных и практических задач.
В XVIII в. подавляющее большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла многие, но не все оптические явления. В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей волновой оптики. В оптике происходит настоящая научная революция, закончившаяся победой волновой теории света над корпускулярной.
Первым в защиту волновой теории света выступил в 1799 г. английский врач Т. Юнг, разносторонне образованный человек, занимавшийся исследованиями в области математики, физики, механики, ботаники и т.д., обладавший обширными знаниями в литературе, истории, многое сделавший для расшифровки египетских иероглифов. Юнг критиковал корпускулярную теорию света, указывая на явления, которые нельзя объяснить с ее позиций, в частности, одинаковые скорости световых корпускул, выбрасываемых слабыми и сильными источниками, а также то обстоятельство, что при переходе из одной среды в другую одна часть лучей постоянно отражается, а другая постоянно преломляется. Юнг предложил рассматривать свет как колеблющееся движение частиц эфира: «…Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет Вселенную… Колебательные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, как тело начинает светиться». Волновую природу света он обосновывал прежде всего явлением интерференции света.
Опыт, демонстрирующий явление интерференции света, состоит в следующем. В экране прокалывают два маленьких отверстия на близком расстоянии друг от друга и освещают его солнечным светом, проходящим через отверстие в окне. За этим экраном помещают второй экран, на который падают два световых конуса, образовавшиеся за первым экраном. В том месте, где эти конусы перекрываются, на втором экране видны светлые и темные полосы. От присоединения света к свету образуется темнота! Юнг правильно предположил, что темные полосы образуются там, где гребни световых волн поглощают друг друга. Если закрыть одно отверстие, то полосы пропадают, а на экране видны только дифракционные кольца. Измеряя расстояние между кольцами, Юнг определил длины волн красного, фиолетового и некоторых других цветов. Он рассмотрел и некоторые случаи дифракции света. Появление дифракционных полос он объяснял интерференцией двух волн: прошедшей прямо и отраженной от края препятствия. Кроме того, он высказал важную догадку о том, что явление поляризации света возможно только в том случае, если световая волна является поперечной, а не продольной.
Хотя работы Юнга свидетельствовали в пользу волновой теории света, они тем не менее не привели к отказу от корпускулярной теории, которая продолжала господствовать в оптике.
В 1815 г. против корпускулярной теории выступил французский ученый О.Френель. После окончания Политехнической школы в Париже он работал в провинции инженером по прокладке и ремонту дорог, а в свободное время занимался научными исследованиями. Заинтересовался вопросами оптики и самостоятельно пришел к убеждению, что справедлива не корпускулярная, а волновая теория света. В 1818 г. Френель объединил полученные результаты и изложил их в работе о дифракции света, представленной на конкурс, объявленный Французской академией наук.
Работу Френеля рассматривала специальная комиссия в составе Ж.Б. Био, Д.Ф. Араго, П.С. Лапласа, Ж.Л. Гей-Люссака и С.Д. Пуассона — сторонников корпускулярной теории. Но результаты работы Френеля настолько соответствовали эксперименту, что просто отвергнуть ее было невозможно. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствие, противоречащее здравому смыслу: как будто в центре тени от круглого экрана должно наблюдаться светлое пятно. Эту «несообразность» подтвердил опыт: возражение превратилось в свою противоположность. Комиссия в конце концов признала правильность результатов волновой теории Френеля и присудила ему премию [1]. Однако теория Френеля еще не стала общепринятой, и большинство физиков продолжало придерживаться старых взглядов.
Заключительным аккордом в борьбе корпускулярной и волновой теорий света явились результаты измерения скорости света в воде. Согласно корпускулярной теории, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в оптически менее плотной, а по волновой теории — наоборот. В 1850 г. французские физики Ж.Б.Л. Фуко и А.И.Л. Физо, измеряя скорость света с помощью вращающегося зеркала, показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердили волновую теорию света. К середине XIX в. приверженцев корпускулярной теории света осталось уже мало.
Принцип дальнодействия. Но как это обычно бывает, большинство последователей Ньютона нередко отходили от его подлинно глубоких идей, забыв или вовсе не зная о его осторожных и тонких замечаниях. В XVIII в. они крайне упростили ту физическую картину мира, которая проступала перед мысленным взором Ньютона. Так, например, утвердилось представление о существовании бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового пространства, между тем как Ньютон склонялся к идее крайней разреженности мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. Утвердился также и жесткий принцип дальнодействия как передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Принцип дальнодействия гласит, что если тело А, находящееся в точке а, действует на другое тело В, то тело В, находящееся в точке Ъ, испытывает это воздействие в тот оке момент.
Ньютон же считал необходимым наличие некоего передатчика этого действия, «агента», правда, допуская его, быть может, нематериальную природу. Но подобные тонкости уже не вдохновляли физиков века Просвещения, когда научная революция закончилась и набирало темпы развития экспериментальное естествознание. Критерии к результатам научных исследований на эволюционном этапе развития физики (по сравнению со временем ньютонианской революции) изменились — они стали более упрощенными, стандартизованными; при этом были нужны немедленный эффект и простейшее обоснование.
Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических объектов незаметно, поскольку притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Лишь высокочувствительные устройства в состоянии уловить гравитационные эффекты. Только в 1774 г. английский ученый Н. Маскелайн обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением находящейся поблизости горы. В 1797 г. английский физик и химик Г. Кавендиш поставил знаменитый эксперимент по измерению едва уловимой силы притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами; это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.
Термодинамика
Теория теплорода. Если силы тяготения действуют между всеми материальными телами, то магнитными силами обладает только железо в намагниченном состоянии, а электрические силы присущи многим телам, но только в наэлектризованном состоянии. Поэтому физики стали приписывать эти силы не частицам вещества, а якобы находящимся в порах обычных материальных тел неким тонким жидкостям, или «материям». Между этими жидкостями и частицами вещества действуют определенного рода силы.
Так объясняли и природу теплоты. Нагревание тела связывали с присутствием некой жидкости — теплорода, частицам которого также присущи определенные силы. Например, между частицами теплорода действуют отталкивающие силы, а между частицами теплорода и частицами материальных тел — силы притяжения.
Тепловые явления изучали вне связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу. Физики имели дело главным образом с явлениями перераспределения теплоты и ее передачей, когда общее количество теплоты остается неизменным. Они полагали, что теплота переходит от одного тела к другому подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Они также считали, что теплота «перетекает» по телу, например стержню, без потерь, подобно воде по трубам. Это хорошо укладывалось в представление о теплоте как о веществе. С помощью вещественной теории теплоты объяснялось наличие теплового баланса при калориметрических измерениях, явление теплопроводности и т.п.
Первые серьезные сомнения в теории теплорода принадлежат американцу Б. Румфорду. Он обратил внимание на выделение тепла при сверлении пушечных стволов и пришел к выводу (1798), что количество выделяемой теплоты не зависит от объема вещества, из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты. Это опровергало теорию теплорода (теплота как вещество) и прокладывало дорогу для понимания теплоты как формы движения.
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Теория теплорода, будучи весьма простой, удовлетворяла эмпирическим и формалистическим традициям науки того времени, общей направленности ньютонианской физики и была исторически необходимым этапом в развитии физики. Она сыграла и положительную роль, объединив целый ряд накопленных фактов и частных теорий, и позволила их систематизировать с единой точки зрения. Хотя и в искаженной форме, эта теория отражала некоторые действительные закономерности тепловых явлений. Поэтому она продержалась более столетия, так как не тормозила развития физической науки и не сразу пришла в противоречие с действительностью.
Закон сохранения и превращения энергии. В первой половине XIX в. постепенно вызревает и утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного превращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. Все большее место в физических исследованиях занимали исследования взаимопревращения различных форм движения. Исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, изучение его моторного действия, процессов превращения теплоты в работу и т.д. — все это способствовало возникновению и развитию идеи о взаимопревращаемости «сил» природы. Энергия не возникает из ничего и не уничтожается, она лишь переходит из одного вида в другой — так гласит закон сохранения и превращения энергии.
Эту идею в первой половине XIX в. все чаще высказывали ученые, и нужен был один шаг, чтобы эта идея оформилась в физический закон. Этот шаг в 1840-х гг. был сделан многими учеными. Основную роль в установлении закона сохранения и превращения энергии сыграли: немецкий врач Р. Майер, немецкий ученый Г. Гельмгольц и англичанин Дж. Джоуль — манчестерский пивовар, занимавшийся изобретательством и физическими исследованиями.
Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания. Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира.
Закон сохранения энергии и в настоящее время является важнейшим принципом физической науки. Новая форма действия этого закона основана, в частности, на учете взаимосвязи массы и энергии (Е = mс2): закон сохранения массы применяется в современной физике совместно с законом сохранения энергии.
Изучение магнитных и электрических явлений
Но XVII в. — это не только время радикальных революционных преобразований в механике и астрономии. В XVII в. начинается систематическое изучение магнитных и электрических явлений, результаты которого, как мы видели в творчестве Кеплера, также влияли на развитие механических и астрономических концепций. Первые сведения об электрических и магнитных явлениях были накоплены еще в древности. Так, античные ученые знали свойство натертого янтаря притягивать легкие предметы [1], а также о существовании особого минерала — железной руды (магнитный железняк), способной притягивать железные предметы [2]. В древности магнит уподоблялся живому существу. Но уже тогда предпринимались попытки научного объяснения магнитных явлений. Наиболее удачные из таких объяснений принадлежали атомистам; например, Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей» объяснял действие магнита существованием потоков мельчайших атомов, вытекающих из него.
Само слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что значит янтарь. Залежи этого минерала находились возле греческого города Магнезии, названию которого и обязано происхождение слова «магнит».
В первой половине XVIII в. были получены качественно новые результаты в области изучения электрических явлений. Так, в 1729 г. англичанин С. Грей открыл явление электрической проводимости. Он обнаружил, что электричество способно передаваться некоторыми телами, и все тела разделил на проводники и непроводники. Француз Ш.Ф. Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются». Важным шагом в изучении электрических явлений стало изобретение в 1745 г. лейденской банки, благодаря которому физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Это усилило интерес к изучению электрических явлений и способствовало утверждению представления о возможности практического применения электричества, в том числе в лечебных целях.
Опыты с электричеством стали модными: их проводили и в лабораториях ученых, и в аристократических гостиных, и даже в королевских дворцах, где они превратились в забаву. Известно, например, что французский король Людовик XV и его двор забавлялись, пропуская разряд электричества через цепь солдат.
Появляется мысль, что электричество играет важную роль в жизнедеятельности живого организма. Многие ученые, врачи занялись изучением действия электричества на человеческий организм. Появились трактаты об «электричестве человеческого тела», об «электрической лечебной материи».
Во второй половине XVIII в. учение об электричестве и магнетизме развивается более быстрыми темпами. Среди многих ярких открытий этого времени — изобретение А. Вольта источника постоянного тока (вольтов столб). Выявляется способность электричества вызывать химические действия, зарождается электрохимия. В это же время намечаются две основные концепции в понимании электрических и магнитных явлений — дальнодействия и близкодействия. ???
В первой половине 19 века: началось становление континуальной, полевой физики.
К середине 19 века был открыт ряд важнейших законов Кулона, законы Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока.
Одновременно с возникновением волновой теории света формировалась совершенно новая парадигма физического исследования — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадлежит великому английскому физику М. Фарадею.
Материя, по Фарадею, занимает все пространство. Материя активна и немыслима без движения. Ее основными характеристиками являются силы притяжения и отталкивания. Под силой Фарадей подразумевает характеристику активности тела или материи вообще, т.е. его понятие силы скорее ближе к понятию движения, чем собственно силы [1]. Атомы, по Фарадею, являются лишь центрами этих сил притяжения и отталкивания [2]. Они проницаемы и простираются на бесконечно большое пространство. Таким образом, в концепции Фарадея среда между зарядами выступает не просто передатчиком взаимодействия одного заряда с другим, а является носителем сил; заряды же он низводит до ранга вторичных образований, продуктов такого реального силового поля.
Опираясь на идеи Фарадея английский физик Максвелл вводит понятие электромагнитного поля и описывает его математически. Уравнения Максвелла. Получает волновое уравнение, их которого следует существование электромагнитных волн, скорость распространения которых в воздухе равна скорости света. Немецкий физик
Генрих Герц экспериментально подтвердил существование эл. волн в 1888 г.
Кризис и смена физической картины мира
Великие открытия. Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые привели к научной революции на рубеже XIX—XX вв.: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности, фотоэффекта и его законов и др.
В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Это открытие заинтересовало физиков и вызвало широкую дискуссию о природе этих лучей. В течение короткого времени были выяснены необычные свойства этих лучей (способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т.д.), но их природа оставалась неясной. Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей. Заинтересовавшись открытием Рентгена, английский физик Дж. Дж. Томсон (совместно с Э. Резерфордом) установил, что под действием облучения рентгеновскими лучами резко возрастает электрическая проводимость газа и это свойство сохраняется некоторое время после прекращения облучения. Анализ подвел к выводу, что проводниками электричества в газах являются заряженные частицы, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Перед Томсоном встали вопросы: что это за частицы, каковы их заряд и масса. Поиски ответов на эти вопросы привели Томсона к открытию первой элементарной частицы — электрона и определению его заряда и массы.
Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишённых заряда частиц).
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Согласно первой модели атома, построенной английским учёным Эрнестом Резерфордом (1871-1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была, однако, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были упасть на ядро. Но опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована выдающимся физиком Нильсом Бором (1885-1962), который предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.
Важнейшим достижением физики конца XIX в. было открытие радиоактивности. В 1896 г. Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Э. Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов, которые назвал альфа- и бета-частицами. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия, а бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.
Мария Склодовская-Кюри, исследуя новое явление, пришла к выводу, что в урановых рудах присутствуют вещества, также обладающие свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри удалось выделить из урановых руд новый элемент — радий, радиоактивность которого по сравнению с ураном значительно выше.
Изучение радиоактивных явлений поставило перед физиками, во-первых, вопрос о природе радиоактивного излучения и, во-вторых, задачу определения источника энергии, которую несут эти лучи. Уже вскоре после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название α-, β- и γ-лучей. При этом оказалось, что α — и β-лучи являются потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц, а у-лучи представляют собой электромагнитное излучение. Но что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, было неясно, как и вообще «механизм» самого радиоактивного распада. Первые теории, разрабатывавшиеся для решения этого вопроса, были сугубо предварительными и неубедительными.
К великим открытиям второй половины XIX в. следует также отнести создание Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом же ряду обнаружение того, что отношение заряда электрона к его массе не является постоянной величиной, а зависит от скорости электрона.
Открытие зависимости массы электрона от скорости и объяснение этого факта наличием электромагнитной массы вызвали вопрос, обладает ли вообще электрон массой в смысле классической механики. Как соотносятся между собой «обычная» масса и электромагнитная? Сама возможность ответа на эти вопросы была проблематичной, поскольку не был известен эксперимент, с помощью которого можно отделить обычную массу от электромагнитной. Возникла гипотеза, что электрон вообще имеет только электромагнитную массу, а обычной массой не обладает. Развитие этой гипотезы подводило к выводу, что вообще всякая масса (а значит, материя) имеет электромагнитную природу. Такой вывод революционным образом менял взгляды физиков на природу материи и ее познание.
Кризис в физике на рубеже веков. С XVII в. в физике и механистической философии массу понимали как количество материи в теле и рассматривали как основной признак материальности. Открытие зависимости массы электрона от его скорости, гипотеза о чисто электромагнитной природе массы как будто лишали тела материальности. Возник вопрос об исчезновении массы и материи вообще, поскольку масса понималась как основной признак материальности тела. Некоторые физики и философы высказывали мнение о том, что «материя исчезла», что саморазвитие науки заставляет отказаться от признания существования материи и справедливости общих важнейших физических законов (закона сохранения массы, закона сохранения количества движения и др.). Ситуация усугублялась с открытием радиоактивности. Ведь не было ответа на вопрос об источнике энергии, которую несет с собой радиоактивное излучение. В связи с этим высказывалось сомнение и во всеобщности закона сохранения энергии.
В таких условиях в физике складывается атмосфера разочарования в возможностях научного познания истины, начинается «брожение умов», распространяются идеи релятивизма и агностицизма. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX—XX вв., А. Пуанкаре назвал кризисом физики [1]. «Признаки серьезного кризиса» физики он в первую очередь связывал с возможностью отказа от фундаментальных принципов физического познания. «Перед нами «руины» старых принципов, всеобщий «разгром» таких принципов», — утверждал он. Закон сохранения массы, закон сохранения количества движения, закон сохранения энергии — все эти фундаментальные принципы, которые долгое время считались незыблемыми, теперь подвергают сомнению.
Многие ученые, пытаясь осмыслить состояние физики, приходили к выводу о том, что само развитие науки показывает ее неспособность дать объективное представление о природе, что истины науки носят относительный характер, не содержат ничего абсолютного, что не может быть и речи ни о какой объективной реальности, существующей независимо от сознания людей. Пуанкаре, например, считал, что необходимо изменить взгляд на ценность науки, на характер истин, добываемых наукой. Если прежде их рассматривали как отражение действительных свойств мира, то новейшее развитие физики, по мнению Пуанкаре, заставляет отказаться от такого взгляда. Наука не способна открывать сущность вещей. Ничто не в силах открыть эту сущность. Научные истины носят конвенциональный характер, они лишь результат соглашений ученых между собой о том, как удобнее выразить то или другое относительное знание. Некоторые физики (Э. Мах, Р. Авенариус и др.) шли еще дальше и полностью переходили на позиции субъективного идеализма. Они исходили из того, что «материя исчезла» потому, что не природа дает нам законы, а мы устанавливаем их, и, вообще, всякий закон есть не что иное, как упорядочение наших субъективных ощущений, и т.д. Многие физики скатились на позиции «физического идеализма», т.е. отказа от основной посылки физического знания — признания материальности объекта физического познания.
К концу XIX в. механистическая, метафизическая, предметоцентрическая методология себя исчерпала. Естествознание стремилось к новой диалектической, системоцентрической методологии. Поиски новой методологии были не простыми, сопряженными с борьбой мнений, школ, взглядов, философской и мировоззренческой полемикой. В конце концов в первой четверти XX в. естествознание нашло свои новые методологические ориентиры, разрешив кризис рубежа веков.
Становление современной физической картины мира. Неклассическая физика.
В 1900 году немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу о том, что вещество не может излучать или поглощать энергию иначе как конечными порциями (квантами)[1].
Гипотеза Планка была использована Эйнштейном. Он ввел понятие кванта света или фотона.
В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что все элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путём было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определённых условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля -свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы — представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля — волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. Но под давлением неопровержимых экспериментальных результатов учёные вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.
Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм — наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.
Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме. X, Y, Z и время.
Теория относительности Эйнштейна.
Ввел предел скорости распространения света и электромагнитной волны в вакууме.
Глава 5. Материальный мир
Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.
В науке выделяются три уровня строения материи.
1. Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10–8 до 10–16 см, а время жизни — от бесконечности до 10–24 с.
Основные структурные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы.
2. Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта. Пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.
Основные структурные элементы: тела на Земле, Земля и другие планеты, Звёзды, гравитационные и электромагнитные поля.
3. Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.
Основные структурные элементы: Галактики, гравитационные и электромагнитные поля.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны. Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро- и мегамиры. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.