7. Виникнення передумов атомної та ядерної фізики
  Концепції атомної та ядерної фізики будуть розгортатися в ХХ столітті, але події, що дали їм поштовх, сталися наприкінці XIX століття. На стику XIX і ХХ ст. в науці здійснилися відкриття, які змусили завагатися склалася картину світу. Уявленням, заснованим на класичній механіці, судилося поступитися місцем новій, що залишається до цих пір багато в чому не завершеної картини світу. Події, що поклали початок процесу зміни картини світу, пов'язані з відкриттям рентгенівських променів і радіоактивності (1895-1896 рр..), Відкриттям електрона (1897 р.), структури кристала (1912 р.), нейтрона (1932 р.), поділу ядра атома (1938 р.) і т.д., а також з теоретичними роботами: квантової теорії М. Планка (1900 р.), спеціальною теорією відносності А. Ейнштейна (1905 р.), атомної теорією Резерфорда - Н. Бора (1913 р .), загальною теорією відносності А. Ейнштейна (1916 р.), хвильової механіки Л.де Бройля і Е. Шредінгера (1923-1926 рр..) і т.д. Оскільки в основу викладу розвитку фізичних концепцій було покладено і хронологічний принцип, то і наукові відкриття, що відбулися в кінці XIX століття (хоча головні події, наступні за ними, будуть відбуватися вже в ХХ столітті), доцільно розглянути в руслі розвитку фізики кінця XIX століття.
Кінець XIX століття демонстрував наявність теорії, що задовольняє практичних потреб. Явища електромагнетизму використовувалися в освітлювальних і силових пристроях. Термодинамічні концепції привели до створення двигуна внутрішнього згоряння і хімічним підприємствам, Електромагнітна теорія викликала до життя радіо. Ці досягнення були практичною реалізацією затвердилися наукових знань, від яких важко було чекати чогось принципово нового. Так що радикальні зрушення слід було очікувати в тих галузях фізики, які досі перебували в тіні і в яких спостерігалися якісь явища, не укладаються в існуючі фізичні концепції. Область фізики, що займалася вивченням електричних розрядів, виявилася саме такою. Однак проводилися з електричними розрядами в вакуумі досліди призвели до цікавих результатів, а електротехнічна промисловість виявила потребу в удосконаленні вакуумної техніки. Все це посилило інтерес до досліджень у цій галузі фізики.
Першим результатом посилення цього інтересу було відкриття У. Круксом катодних променів, які він назвав променистої формою матерії. Д. Стогін назвав катодні промені електронами, Ж. Перрен виявив у них негативний заряд, а Д. Томсон виміряв їх швидкість. Наступним кроком було скоєно непередбачене відкриття К. Рентгеном - виявлення Х-променів (що отримали назву рентгенівських), що виходили з катодно-променевої розрядної трубки. Це відкриття, крім практичних перспектив, мало важливе значення для інших областей фізики. Д. Томсон встановив, що не лише електрони, які вдарялися про яку-небудь речовину, породжували рентгенівські промені, а й останні при ударі об речовина породжують електрони. Той факт, що електрони могли вилучатись з різних речовин, свідчило про належність їх до електричної матерії. Оскільки вона складалася з окремих частинок (атомів), то це спонукало Д. Томсона звернутися до розкриття внутрішньої структури атома. Існування електрона - зарядженої частинки з масою. яка менша за масу атома і яка з'являється з речовини при певних умовах, наводила на думку про те, що ця частка є структурним елементом атома. А якщо атом електрично нейтральний, то повинен бути структурний елемент і з позитивним зарядом.
Перша модель атома, запропонована В. Томсоном і потім Д. Томсоном, включала кулясте хмара позитивного заряду, всередині якого знаходяться електрони, розташовані в цій хмарі концентричними кільцями. Дана модель проіснувала недовго. Але це був перший крок у розкритті структури атома. Наступні моделі атома з'явилися вже в ХХ столітті (модель Е. Резерфорда і модель Н. Бора).
Відкриття рентгенівських променів було випадковим. Відкриття радіоактивності, що послідувало услід за відкриттям рентгенівських променів, також виявилося випадковим. А. Беккерель намагався встановити, чи не випромінюються чи подібні промені іншими тілами. З різних речовин, якими він володів, Беккерель випадково обрав солі урану. промені, які виходять з урану, були радіоактивними, причому виходили без будь-яких пристроїв - вони випускають самим радіоактивною речовиною. П'єр і Марія Кюрі виділили ще більш сильні радіоактивні елементи - полоній і радій. Е. Резерфорд, вивчаючи характер радіоактивного випромінювання, відкриває альфа-промені і бета-промені і пояснює їх природу. М. Планк встановив. що атоми віддають енергію не безперервно, а порціями, тобто існування граничної кількості дії, що контролював кількісно всі енергетичні обміни в атомних системах (постійна Планка - h, що дорівнює 6,6? 10 ^-27 ерг / сек. К. Лоренц створює електронну теорію, синтезувати ідеї теорії поля атомної теорії. І хоча спочатку він не вживає терміну "електрон", а говорить про позитивно і негативно заряджених частинках речовини. відкриття радіоактивності і перетворення атомів похитнуло фізичні і хімічні уявлення XIX століття. Це стосувалося закону незмінних елементів, встановленого Лавуазьє. Мимовільний радіоактивний розпад в умовах відсутності дослідних даних про синтез нових атомів міг тлумачитися як однобічний процес поступового руйнування речовини у Всесвіті. Відкриття першої субатомній частки - електрона - виглядало аргументом на користь відкинутих уявлень про електричну субстанції. Здавалося, що був поставлений під сумнів і закон збереження енергії. Виникла ситуація свідчила про те, що нові експериментальні факти не вкладаються в існуючу фізичну парадигму. Таким чином, позначилися витоки революційних перетворень у фізичних концепціях. Перший етап цих перетворень почався в кінці XIX століття. Наступні етапи розгорталися вже у XX столітті.

ОСНОВНІ КОНЦЕПЦІЇ ФІЗИКИ ХХ СТОЛІТТЯ

1. Революція у фізиці
Фізика XIX століття представляла собою засновану на механіці Ньютона систему знань, яка творцям цієї системи представлялася майже завершеною. Революція у фізиці вже на самому початку ХХ століття виявила обмеженість класичної механіки, чим поставила під сумнів істинність подібних уявлень. Класична фізика, виходячи з закладеного Декартом ідеалу, представляла Всесвіт у вигляді механічної системи, поведінка якої можна абсолютно точно передбачити, якщо відомі параметри, які визначають початковий стан цієї системи. Іншими словами, основні твердження класичної механіки мають цілком певний і однозначний характер. Різного роду невизначеності й неоднозначності, що можуть мати місце при вимірюванні величин, пояснюються в її рамках неминучими похибками, складністю процедури вимірювання, і т.п.
Подібна картина грунтувалася на припущеннях, які вважалися абсолютно очевидними. Перше полягало в тому, що ми живемо в жорсткому і певному світі, в якому будь-яке явище може бути строго локалізовано, і що весь розвиток фізичного світу є зміна положення тіл у просторі з плином часу. Друге виходило з можливості зробити дуже незначним обурення природного ходу досліджуваного процесу, що вноситься процедурою здійснення експерименту. Як виявилося, обидві пропозиції можуть бути справедливими лише для певних умов.
Відкриття кванта дії виявило протиріччя між концепцією суворої локалізації і концепцією динамічного розвитку. Кожна з цих концепцій, взята окремо від іншої, може бути успішно використана для досліджуваних явищ, але, будучи одночасно використаними, вони не дають точних результатів. Обидві вони - свого роду ідеалізація: перша - статистична, що виключає будь-яке рух і розвиток, друга - динамічна, що виключає поняття точного положення в просторі і моменту часу. У класичній механіці переміщення в просторі та визначення швидкості вивчаються незалежно від того, яким чином фізично ці переміщення реалізуються. Від абстрактного вивчення законів руху можна переходити до динаміки. Стосовно до явищ мікросвіту подібна ситуація, як виявилося, неможлива принципово. Тут просторово-часова локалізація, що лежить в основі кінематики, можлива лише для деяких окремих випадків, які залежать від конкретних динамічних умов руху. У макромасштабах використання кінематики цілком припустимо. Для мікромасштабах, де головна роль належить квантам, кінематика, що вивчає рух незалежно від динамічних умов, втрачає сенс.
Для масштабів мікросвіту і друге положення виявляється неспроможним - воно справедливо лише для явищ великого масштабу. Виявилося, що спроби виміряти будь-яку величину, що характеризує досліджувану систему, тягне за собою неконтрольоване зміна інших величин, що характеризують дану систему: якщо робиться спроба встановити положення в просторі і часі, то це призводить до неконтрольованого зміни відповідної сполученої величини, яка визначає динамічний стан системи. Так, неможливо точно виміряти в один і той же час дві взаємно пов'язані величини. Чим точніше визначається значення однієї величини, що характеризує систему, тим більш невизначеним виявляється значення сполученої їй величини. Це обставина спричинила за собою істотну зміну поглядів на розуміння детермінізму, рівнів організації реальності.
Детермінізм класичної механіки виходив з того, що майбутнє у відомому сенсі повністю утримується в теперішньому - цим і визначається можливість точного передбачення поведінки системи в будь-який майбутній момент часу. Така можливість пропонує одночасне визначення взаємно сполучених величин. В області мікросвіту це виявилося неможливим, що і вносить істотні зміни у розуміння можливостей передбачення і взаємозв'язку явищ природи: раз значення величин, що характеризують стан системи в певний момент часу, можна встановити лише з часткою невизначеності, то виключається можливість точного передбачення значень цих величин в наступні моменти часу - можна лише передбачити ймовірність отримання тих чи інших величин. У цьому випадку зв'язок між результатами послідовних вимірювань не буде відповідати вимогам класичного детермінізму. Тут можна говорити про ймовірнісної зв'язку, пов'язаної з невизначеністю, яка випливає з існування кванта дії.
Інша революційна ідея, яка спричинила за собою зміну класичної фізичної картини світу, стосується створення теорії поля. Класична механіка намагалася звести всі явища природи до сил, що діють між частинками речовини - на цьому грунтувалася концепція електричних рідин. У рамках цієї концепції реальними були лише субстанція та її зміни - тут найважливішим визнавалося опис дії двох електричних зарядів за допомогою належних до них понять. Опис ж поля між цими зарядами, а не самих зарядів був вельми істотним для розуміння дії зарядів. Створеної нової реальності місця в механічній картині світу не було. У результаті фізика стала мати справу з двома реальностями - речовиною і полем. Якщо класична фізика будувалася на понятті речовини, то з виявленням нової реальності фізичну картину світу доводилося переглядати. Спроби пояснити електромагнітні явища за допомогою ефіру виявилося неспроможними. Ефір експериментально виявити не вдалося. Це призвело до створення теорії відносності, яка змусила переглянути уявлення про простір і час, характерні для класичної фізики. Таким чином, дві концепції - теорія квантів і теорія відносності - стали фундаментом для нових фізичних концепцій. Д. Бернал виділив три фази у розвитку наукової революції. Перша фаза охоплювала період з 1895 по 1916 рік. Для неї характерно дослідження нових світів, створення нових вистав, головним чином за допомогою технічних і теоретичних засобів науки ХХ століття. Це період в основному індивідуальних досягнень подружжя Кюрі, Резерфорда, Планка, Ейнштейна, Бора та ін Фізичні дослідження ведуться в університетських лабораторіях, вони слабо пов'язані з промисловістю, використовувана апаратура дешева і проста.
Друга фаза (1919-1939 рр..) Характеризується масовим впровадженням промислових методів і організованості в фізичні дослідження. Хоча в цей час фундаментальні дослідження ведуться головним чином в університетських лабораторіях, окремі великі вчені починають очолювати наукові групи, починають встановлювати зв'язки з великими промисловими дослідницькими лабораторіями. Зростає кількість учених. Фізика розширює сферу своєї діяльності. Починається військове використання фізичних знань, починається встановлення зв'язку між керівниками фізичних досліджень з промисловими та державними організаціями у військових цілях.
Третя фаза характеризується ще більшим розширенням участі фізики у військових програмах. Фізичні дослідження вимагають дорогої апаратури, стають все більш дорогими, в їх організації все більшу роль відіграє держава.
Сучасний етап розвитку фізичних досліджень стає ще більш дорогим, що ставить питання про необхідність міжнародної кооперації у здійсненні найбільш великих проектів. Фізика стала основою природознавства. Поява і розвиток таких розділів фізики, як квантова механіка, квантова електродинаміка, загальна теорія відносності, теорія будови атомів, фізика атомного ядра і субатомних частинок, квантова фізика твердого тіла, квантова фізична теорія будови хімічних сполук призвело до створення нової фізичної картини світу, до перетворення фізики з науки, яка вивчає і пояснює механізм явищ, в науку, що розробляє методи штучного відтворення фізичних процесів, в основу сучасних технічних пристроїв, у лідера сучасного природознавства.
2. Теорія відносності
а) Криза класичних уявлень про простір і час
Спочатку згадаємо, що концепція світла Френеля включала визнання існування ефіру, що заповнює весь простір і проникаючого в усі тіла, в якому поширювалися світлові хвилі. Концепція світла Максвелла поняття ефіру зробила не потрібне. Незважаючи на це, концепція ефіру не зійшла з арени фізики. Справа полягала в тому, що рівняння електродинаміки Максвелла були справедливими в одній системі координат і несправедливими в іншій, що рухається прямолінійно і рівномірно щодо першої. Класична механіка, що виходила з визнання існування абсолютного часу, єдиного для всіх систем відліку і будь-яких спостерігачів, визнавала, що відстань між двома точками простору повинен мати одне значення у всіх системах координат, які використовуються для визначення положення тіл у просторі (тобто дана відстань є інваріантом). Перетворення Галілея визначало перетворення координат при переході від однієї системи відліку до іншої. Інакше кажучи, якщо, наприклад, рівняння Ньютона були справедливими у системі координат, пов'язаної з нерухомими зірками, то вони виявлялися справедливими і в інших системах відліку, які рухалися прямолінійно і рівномірно відносно даних нерухомих зірок. Таким чином, виходило, що рівняння Максвелла справедливі тільки в одній системі відліку, пов'язаної з певної середовищем, примусового весь Всесвіт. Ось це середовище і продовжували вважати ефіром. Уся різниця з початковою трактуванням ефіру полягало в тому, що якщо раніше під ефіром розуміли особливу пружну середу, яка була здатна передавати світлові коливання, то тепер ефіру стала приділятися роль абстракції, необхідної для фіксації тих систем відліку, в яких справедливі рівняння Максвелла. Однак і цю роль ефір не міг грати.
Вивчення світлових явищ в рухомій системі координат передбачало визначення швидкості даної системи координат відносно ефіру. Однак нікому не вдавалося в експерименті виявити рух Землі відносно ефіру, коли у суперечності з класичною теорією. Знаменитий експеримент Майкельсона-Морлі (1887 р.) всі сумніви, що грунтуються на недосконалості використовуваної при проведенні експерименту, повністю відкинув і дозволив остаточно відмовитися від концепції ефіру. Г. А. Лоренц спробував негативний результат експерименту Майкельсона-Морлі узгодити з існуючими теоріями, висловивши припущення про те, що тіла при своєму русі щодо ефіру скорочуються в розмірах цього руху. Такий підхід дозволяв зберегти концепцію ефіру: ефір існує, він нерухомий, рух тіла щодо ефіру виявити неможливо, оскільки в напрямку руху тіло змінює свої розміри. З рівнянь Лоренца випливало, що всі світлові явища будуть протікати однаково в різних системах координат, тому за цим явищам виявити абсолютний рух по відношенню до ефіру неможливо. У світлі цього негативний результат експерименту Майкельсона-Морлі виглядав цілком природним, а точна зв'язок спостерігачів, що рухаються рівномірно і прямолінійно один щодо одного, виражаючись не перетвореннями Галілея, а перетвореннями Лоренца. Розуміння причин заміни перетворень Галілея перетвореннями Лоренца і з'ясування фізичних наслідків цієї заміни зажадало перегляду понять простору і часу.
Згадаймо також, як розвивалися уявлення про простір і час. Для арістотельской фізики характерно уявлення про спокій як природному стані будь-якого тіла. Це означає, що в рух тіло може прийти тільки під дією сили або імпульсу. Наслідком такого уявлення був висновок про те, що важкі тіла повинні падати з більшою швидкістю, ніж легкі тому вони сильніше притягуються до Землі. У рамках цієї традиції закони, яким підпорядковувалася Всесвіт, виводилися умоглядно і не перевірялися на досвіді.
Галілей, заклав початок сучасних уявлень про закони руху тіл, першим поставив під сумнів уявлення арістотелівської фізики. Скачуючи по гладкому укосу кулі різної ваги, Галілей встановив, що швидкість збільшується незалежно від ваги тіла - на катящееся тіло завжди діє одна і та ж сила (вага тіла), у результаті чого швидкість тіла зростала. Це означало, що прикладена до тіла сила не просто змушує це тіло рухатися (як вважали до Галілея), а змінює швидкість тіла. Ньютон на основі вироблених Галілеєм вимірювань вивів закони руху. Перший закон: всяке тіло перебуває в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху до тих пір, поки діють на нього сили не змінять цей стан. Другий закон: добуток маси тіла на його прискорення дорівнює діючій силі, а напрям прискорення збігається з напрямком сили. Третій закон: дії завжди відповідає рівна і протилежно спрямовану дію (інакше: дії двох тіл один на одного завжди рівні за величиною і спрямовані в протилежні сторони). Крім цих законів Ньютоном відкритий закон всесвітнього тяжіння: будь-яке тіло притягує будь-яке інше тіло з силою, пропорційною масам цих тіл. Чим далі знаходяться тіла один щодо одного, тим менше сила взаємодії. Гравітаційна сила притягання зірки становить четверту частину сили тяжіння такої ж зірки, розташованої на вдвічі меншій відстані. Цей закон дозволяє з великою точністю обчислювати орбіти планет.
Якщо для Аристотеля стан спокою вважалося кращим (якщо на тіло не діє якась сила), то із законів Ньютона випливало, що єдиного еталона спокою немає. Це означає, що можна вважати тіло А що рухається щодо спочиваючого тіла В і навпаки - вважати тіло В рухомим щодо спочиваючого тіла А. Звідси випливає, що неможливо визначити, чи мали місце дві події в одній точці простору, якщо вони відбулися в різні моменти часу. Інакше кажучи, ніякому події не можна приписати абсолютного положення в просторі (як вважав Аристотель). Це випливало із законів Ньютона. Але це суперечило ідеї абсолютного бога. Тому Ньютон не визнавав відсутності абсолютного простору, тобто того, що випливало з відкритих законів.
Спільним для Аристотеля і Ньютона було визнання абсолютного часу - обидва вважали, що час між двома подіями можна виміряти однозначно і що результат не залежить від того, хто здійснює вимірювання, аби тільки були в наявності у вимірює правильні годинник. Час вважалося повністю відокремленим від простору і не залежним від нього.
У 1676 р., за одинадцять років до виходу "Математичних почав натуральної філософії" Ньютона, данський астроном О. Х. Ремер встановив, що світло поширюється з кінцевою, хоча і дуже великою швидкістю. Але лише Д. К. Максвеллу - творцю класичної електродинаміки - вдалося об'єднати дві приватні теорії, що описували електричні і магнітні сили. Згідно сформульованим Максвеллом рівнянь, що описує електромагнітні явища в довільних середовищах і у вакуумі, в електромагнітному полі можуть існувати поширюються з постійною швидкістю хвилі (радіохвилі з довжиною метр і більше, хвилі надвисокочастотного діапазону з довжиною близько сантиметра, хвилі інфрачервоного діапазону з довжиною до десяти тисячних сантиметри , хвилі видимого сектору з довжиною сорок - вісімдесят мільйонних часток сантиметра, хвилі ультрафіолетового, рентгенівського та гамма-випромінювання з довжиною хвилі ще коротшою.
З теорії Максвелла випливало, що радіохвилі і світло мають фіксовану швидкість розповсюдження. Але оскільки після появи теорії Ньютона уявлення про абсолютному спокої пішли в минуле, виникло питання: щодо чого вимірювати швидкість. Для цього було введено поняття ефіру - особливої ​​субстанції, заповнювала простір. Стали вважати, що світлові хвилі поширюються в ефірі (як звукові в повітрі), а швидкість поширення визначається щодо ефіру. Спостерігачі, що рухаються щодо ефіру з різними швидкостями, повинні були бачити, що світло до них йде з різною швидкістю, але швидкість світла щодо ефіру повинна залишатися незмінною. Це означало, що при русі Землі в ефірі по своїй орбіті навколо Сонця швидкість світла в напрямку руху в бік джерела світла повинна бути вище в порівнянні зі швидкістю світла за умови відсутності руху до джерела світла. Однак досвід, поставлений А. Майкельсона і Е. Морлі в 1887 р., в якому вони порівнювали швидкість світла, виміряну в напрямку руху Землі, зі швидкістю, яка вимірюється в перпендикулярному цього напрямку руху, показав, що обидві швидкості однакові. Датський фізик Х. Лоренц результат експерименту Майкельсона-Морлі пояснював тим, що всі рухомі в ефірі об'єкти скорочуються в розмірах, а годинник уповільнюють свій хід.
Наступний крок зробив А. Енштейн створенням спеціальної теорії відносності, з якої випливало. що за умови відмови від поняття абсолютного часу немає ніякої потреби в ефірі. (Трохи пізніше аналогічну позицію висловив і А. Пуанкаре.)
б) Спеціальна теорія відносності
Спеціальна теорія відносності грунтувалася на постулаті відносності: закони науки повинні бути однаковими для всіх вільно рухаються спостерігачів незалежно від швидкості їх руху. Це означало, що швидкість світла для будь-яких спостерігачів, незалежно від їх швидкості руху повинна бути однаковою. Важливо відзначити два наслідки, що випливали з даного постулату. Перше - закон еквівалентності маси і енергії. Друге - закон, за яким ніщо не може рухатися швидше за світло.
Із закону еквівалентності маси і енергії (Е = mc ^2, де Е - енергія, m - маса, з - швидкість світла) випливає, що чим більше енергія, тим важче збільшити швидкість, причому даний ефект більше проявляється при швидкостях, близьких до швидкості світла . (Так, наприклад, при швидкості тіла, що складає 10% швидкості світла, маса даного тіла збільшується на 0,5%, тоді як при швидкості тіла, рівної 90% від швидкості світла, його маса збільшується в 2 рази.) У міру наближення швидкості тіла до швидкості світла його маса збільшується все швидше. Для подальшого прискорення потрібно все більше енергії. Але швидкість тіла ніколи не може досягти швидкості світла, оскільки в цьому випадку маса тіла виявляється нескінченно великою, а тому для досягнення такої швидкості треба було б нескінченно велику енергію. Таким чином, принцип відносності дозволяє рухатися зі швидкістю світла лише тілам, що не володіє нульовою масою (масою спокою), і накладає заборону на досягнення швидкості світла всім тілам, які мають нульовий масою.
Другий наслідок з постулату відносності стосується зміни уявлень про простір і час. Якщо в теорії Ньютона час проходження світлового імпульсу, посланого з однієї точки в іншу і виміряний різними спостерігачами, буде однаковим (бо час абсолютно), а пройдений ним шлях може виявитися різним у різних спостерігачів (бо простір не абсолютне), а різні спостерігачі отримають різні швидкості світла (тому що швидкість світла є пройдене світлом відстань, ділене на час), то в теорії відносності у кожного спостерігача повинен бути свій масштаб часу, що вимірюється за допомогою наявних у нього годин, причому показання однакових годин, наявних у різних спостерігачів, можуть не погодитися . Виявляється, що в рамках теорії відносності немає потреби в поняттях абсолютного часу і ефіру, але зате відбувається зміна уявлень про простір і час - тепер вони не існують як щось не пов'язане один з одним, а існує єдиний простір-час. Подія, як щось відбувається в певний момент часу і в певній точці простору виявилося можливим характеризувати чотирма координатами.
Спеціальна теорія відносності пояснила сталість швидкості світла для всіх спостерігачів і дозволила описати, що відбувається при русі зі швидкостями, близькими до світловим. Але вона не узгоджувалася з ньютонівської теорією гравітації, відповідно до якої тіла притягуються одне до одного із силою, яка залежить від відстані між ними. Це передбачає нескінченну швидкість розповсюдження гравітаційних ефектів, а не рівну або меншу, як це вимагає теорія відносності. Потрібно було створити модель гравітації, узгоджуються зі спеціальною теорією відносності. Ейнштейн у своїй загальній теорії відносності висловив припущення про те, що гравітація є наслідком викривлення простору-часу, викликаного розподіленими в ньому масою та енергією. Викривленість простору-часу означає, що світло поширюється не прямолінійно, а викривлюється в гравітаційних полях. У нормальних умовах ефект викривлення променя зафіксувати спостерігачеві важко, але це можна зробити під час сонячного затемнення, коли Місяць перекриває сонячне світло. Це пророцтво теорії було підтверджено спостереженнями в західній Африці в 1919 р. англійською експедицією.
Інший прогноз загальної теорії відносності стосувалося того, що час поблизу масивних тіл має текти повільніше. Це пророцтво було підтверджено в 1962 р. Виявилося, що годинник, розташовані ближче до поверхні землі, дійсно йшли повільніше розташованих вище. Крім загального інтересу даний результат має велике значення для навігаційних систем - ігнорування передбачень загальної теорії відносності приводить до помилок при визначенні координат в кілька кілометрів.
Таким чином, теорія руху Ньютона відкинула уявлення про абсолютну просторі, а теорія відносності - про абсолютний час. У загальній теорії відносності немає єдиного абсолютного часу. До створення загальної теорії відносності простір і час виступали як місце для подій, на яке все відбувається не впливає. У загальній теорії відносності простір і час змінюються під впливом процесів, що відбуваються і самі впливають на них. Виявилося, що говорити про простір і час поза межами Всесвіту безглуздо. Старі уявлення про вічну і майже не змінюється Всесвіту змінилися уявленнями про мінливих Всесвіту, яка мала початок і можливо буде мати кінець.
Таким чином, до початку ХХ століття виявилася необхідність докорінного перегляду уявлень про простір і час. Експерименти свідчили, що принцип відносності Галілея (відповідно до якого механічні явища протікають однаково в усіх інерційних системах відліку) може бути віднесений і до області електромагнітних явищ, а тому рівняння Максвелла не повинні змінювати свою форму при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої, тобто повинні бути інваріантними. Але це виявилося можливим лише для випадків, коли перетворення координат і часу при такому переході відрізняються від перетворень Галілея, використовуваних в ньютонівської механіки. Лоренц висловив ці перетворення, але не зміг дати їм вірну інтерпретацію - вона виявилася можливою в рамках спеціальної теорії відносності, яка виявила обмеженість механічної картини світу. Всі спроби звести електромагнітні процеси до механічних процесів в ефірі виявили свою неспроможність, наслідком чого і був висновок про те, що поведінка форми матерії у вигляді електромагнітного поля не вкладаються в рамки законів механіки.
в) Загальна теорія відносності
Спеціальна теорія відносності має справу з інерційних системами координат, принцип відносності розглядається стосовно до прямолінійного і рівномірного руху. Що ж стосується непрямолінійність або прискореного руху, то принцип відносності в його колишньої формулюванні тут виявляється несправедливим, бо в рухомому прискореної системі координат механічні, оптичні та електромагнітні явища протікають не так, як в інерціальних системах відліку. Правильне опис цих фізичних явищ, що враховує вплив на них прискорення, виявилося можливим на основі використання криволінійних координат у чотиривимірному просторі (чотиривимірному просторово-часовому континуумі Маньківського). Ейнштейн припустив, що особливість сил тяжіння полягає в тому, що вони завжди пропорційні масі тіла, на яке вони діють. Звідси випливало, що всі тіла при одних і тих же початкових умовах рухаються в полі тяжіння незалежно від маси або заряду, тобто їх траєкторія руху не залежить від властивостей рухомого тіла, а визначається властивостями поля тяжіння. Це дозволяє вплив поля тяжіння, що діє у частині простору, враховувати шляхом введення локальної кривизни чотиривимірного простору. У спеціальній теорії відносності чотиривимірний просторово-часової континуум є евклідова (плоским). Можна припустити, що чотиривимірний простір може бути і неевклідової, тобто володіти змінної кривизною. У цьому випадку визначення тіла в просторі можливо лише за допомогою криволінійної системи координат. Таким чином, під дією сил тяжіння тіла змінюють свої розміри і час тече в залежності від величини цих сил, тобто полі тяжіння змінює властивості простору і часу. Електромагнітне поле існує в просторі і часі, а гравітаційне поле висловлює геометрію простору і часу. Відповідно до загальної теорії відносності геометрія Евкліда застосовна лише до порожніх просторів, де немає важких тіл. Поблизу ж важких тіл простір зігнуто.
Загальна теорія відносності - загальна фізична теорія простору, часу й тяжіння - стала новим етапом у розвитку теорії тяжіння. Ейнштейн характеризував відмінність нової теорії тяжіння від старої наступним чином:
"1. Гравітаційні рівняння загальної теорії відносності можуть бути застосовані до будь-якій системі координат. Вибрати якусь особливу систему координат у спеціальному випадку - справа лише зручності. Теоретично допустимі всі системи координат. Ігноруючи тяжіння, ми автоматично повертаємося до інерціальній системі спеціальної теорії відносності.
2. Ньютонів закон тяжіння пов'язує рух тіла тут і тепер з дією іншого тіла в той же самий час на далекій відстані. Цей закон став зразком для всього механічного світогляду. Але механічне світогляд зазнало краху. У рівняннях Максвелла ми створили новий зразок для законів природи. Рівняння Максвелла суть структурні закони. Вони пов'язують події, які відбуваються тепер і тут, з подіями, які відбуваються трохи пізніше і в безпосередньому сусідстві. Вони суть закони, що описують електромагнітне поле. Наші нові гравітаційні рівняння суть також структурні закони, що описують зміну поля тяжіння. Схематично ми можемо сказати: перехід від ньютонівського закону тяжіння до загальної теорії відносності до деякої міри аналогічний переходу від теорії електричних рідин і закону Кулона до теорії Максвелла.
3. Наш світ неевклідов. Геометрична природа його утворена масами і їх швидкостями. Гравітаційні рівняння загальної теорії відносності прагнуть розкрити геометричні властивості нашого світу. "
Отже, механічна картина світу виявилася неспроможною в силу того, що було неможливо пояснити всі явища, виходячи з припущення про дію між незмінними частинками простих сил. Спроби переходу від механічних уявлень до поняття поля були успішними в області електромагнітних явищ. Структурні закони, сформульовані для електромагнітного поля, зв'язали події, суміжні в просторі та часі. Це були закони спеціальної теорії відносності. Загальна теорія відносності сформулювала структурні закони, що описують поле тяжіння між матеріальними тілами, вона звернула увагу на ту роль, яку відіграє геометрія в описі фізичної реальності.
В даний час спеціальна теорія відносності підтверджена експериментально. Так. наприклад, передбачене цією теорією збільшення маси електронів при наближенні їх до швидкості світла підтвердилося неодноразово. Еквівалентність маси та енергії також доведена експериментами в ядерній фізиці. Що ж до загальної теорії відносності, то настільки ж позитивні експериментальні докази її істинності відсутні. Багато фізиків поки не вважають досить стверджувальними факти, наведені на її користь: мале вікове зсув перигелію Меркурія, слабке відхилення проходять поблизу Сонця світлових променів інтерпретуються по-різному. Більш переконливим видається аргумент, пов'язаний з вимірюванням червоного зсуву спектральних ліній, які випромінюються супутником Сіріуса. Однак єдиний аргумент не є доказом достовірності. Дана теорія не є закінченою. Існують різні точки зору на розуміння сутності загальної теорії відносності, відмінні від ейнштейнівської. Разом з тим дана теорія є одним з найвидатніших теоретичних побудов, що демонструють внутрішню логічну стійкість і вносять у фізику безліч різноманітних ідей.
Завершуючи даний розділ, важливо зафіксувати ще раз наступний факт. Існують речовина і поле як різні фізичні реальності. Спроби фізиків XIX століття побудувати фізику на основі тільки поняття речовини виявилися неспроможними. Побудувати фізику на основі лише поняття поля поки не вдалося. Так що у всіх теоретичних побудовах доводиться визнавати обидві реальності. Але у зв'язку з цим постає проблема взаємодії елементарних часток з полем. Спроби вирішення цієї проблеми призводять до квантової фізики.
3. Квантова теорія
а) Передумови квантової теорії
У кінці XIX століття виявилася неспроможність спроб створити теорію випромінювання чорного тіла на основі законів класичної фізики. З законів класичної фізики випливало, що речовина має випромінювати електромагнітні хвилі при будь-якій температурі, втрачати енергію і знижувати температуру до абсолютного нуля. Іншими словами. теплова рівновага між речовиною і випромінюванням було неможливо. Але це перебувало в суперечності з повсякденним досвідом.
Більш детально це можна пояснити наступним чином. Існує поняття абсолютно чорного тіла - тіла, що поглинає електромагнітне випромінювання будь-якої довжини хвилі. Спектр його випромінювання визначається його температурою. У природі абсолютно чорних тіл немає. Найбільш точно абсолютно чорного тіла відповідає замкнутий непрозоре порожнє тіло з отвором. Будь-який шматок речовини при нагріванні світиться і при подальшому підвищенні температури стає спочатку червоним, а потім - білим. Колір від речовини майже не залежить, для абсолютно чорного тіла він визначається виключно його температурою. Уявімо таку замкнуту порожнину, яка підтримується при постійній температурі і яка містить матеріальні тіла, здатні випускати і поглинати випромінювання. Якщо температура цих тіл в початковий момент відрізнялася від температури порожнини, то з часом система (порожнина плюс тіла) буде прагнути до термодинамічної рівноваги, що характеризується рівновагою між поглинається і вимірюється в одиницю часу енергією. Г. Кірхгоф встановив, що цей стан рівноваги характеризується певним спектральним розподілом густини енергії випромінювання, укладеного в порожнині, а також те, що функція, що визначає спектральний розподіл (функція Кірхгофа), залежить від температури порожнини і не залежить ні від розмірів порожнини або її форм , ні від властивостей вміщених у неї матеріальних тіл. Так як функція Кірхгофа універсальна, тобто однакова для будь-якого чорного тіла, то виникло припущення, що її вигляд визначається якимись положеннями термодинаміки та електродинаміки. Проте спроби такого роду виявилися неспроможними. Із закону Д. Релея випливало, що спектральна щільність енергії випромінювання повинна монотонно зростати зі збільшенням частоти, але експеримент свідчив про інше: спочатку спектральна щільність зі збільшенням частоти зростала, а потім падала. Рішення проблеми випромінювання чорного тіла вимагало принципово нового підходу. Він був знайдений М. Планком.
Планк у 1900 р. сформулював постулат, згідно з яким речовина може випускати енергію випромінювання лише кінцевими порціями, пропорційними частоті цього випромінювання (див. розділ "Виникнення атомної та ядерної фізики"). Дана концепція призвела до зміни традиційних положень, що лежать в основі класичної фізики. Існування дискретності дії вказувало на взаємозв'язок між локалізацією об'єкта в просторі та часі і його динамічним станом. Л. де Бройль підкреслював, що "з точки зору класичної фізики цей зв'язок можна вважати цілком незрозумілою і набагато більш незрозумілою за наслідками, до яких вона призводить, ніж зв'язок між просторовими змінними і часом, встановлена ​​теорією відносності." Квантової концепції в розвитку фізики було призначено зіграти величезну роль.
Наступним кроком у розвитку квантової концепції було розширення А. Ейнштейном гіпотези Планка, що дозволило йому пояснити закономірності фотоефекту, не вкладаються в рамки класичної теорії. Сутність фотоефекту полягає в випущенні речовиною швидких електронів під дією електромагнітного випромінювання. Енергія що випускаються електронів при цьому від інтенсивності поглинається випромінювання не залежить і визначається його частотою і властивостями даної речовини, але від інтенсивності випромінювання залежить число випускаються електронів. Дати пояснення механізму звільняються електронів не вдавалося, оскільки відповідно до хвильової теорії світлова хвиля, падаючи на електрон, безперервно передає йому енергію, причому її кількість в одиницю часу має бути пропорційно інтенсивності хвилі, що падає на нього. Ейнштейн у 1905 році висловив припущення про те, що фотоефект свідчить про дискретно будову світла, тобто про те, що випромінювана електромагнітна енергія поширюється і поглинається подібно частці (названої потім фотоном). Інтенсивність падаючого світла при цьому визначається числом світлових квантів, що падають на один квадратний сантиметр освітлюваної площини в секунду. Звідси число фотонів, які випускаються одиницею поверхні в одиницю часу. повинно бути пропорційно інтенсивності освітлення. Багаторазові досліди підтвердили це пояснення Ейнштейна, причому не тільки зі світлом, але і з рентгенівськими та гамма-променями. Ефект А. Комптона, виявлений в 1923 році, дав нові докази існування фотонів - було виявлено пружне розсіяння електромагнітного випромінювання малих довжин хвиль (рентгенівського та гамма-випромінювання) на вільних електронах, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі. Відповідно до класичної теорії, при такому розсіянні довжина хвилі не повинна змінюватися. Ефект Комптона підтвердив правильність квантових уявлень про електромагнітне випромінювання як про потік фотонів - він може розглядатися як пружне зіткнення фотона і електрона, при якому фотон передає електрону частину своєї енергії, а тому його частота зменшується, а довжина хвилі збільшується.
З'явилися і інші підтвердження фотонної концепції. Особливо плідною виявилася теорія атома Н. Бора (1913 р.), що виявила зв'язок будови матерії з існуванням квантів і встановила, що енергія внутрішньоатомних рухів може мінятися також лише стрибкоподібно. Таким чином, визнання дискретної природи світла відбулося. Але ж по суті своїй це було відродження відкинутої раніше корпускулярної концепції світла. Тому цілком природно виникли проблеми: як поєднати дискретність структури світла з хвильової теорії (тим більше, що хвильова теорія світла підтверджувалася цілим рядом експериментів), як поєднати існування кванта світла з явищем інтерференції, як явища інтерференції пояснити з позиції квантової концепції? Таким чином, виникла потреба в концепції, яка пов'язувала б корпускулярний і хвильової аспекти випромінювання.
б) Принцип відповідності
Для усунення труднощі, що виникла при використанні класичної фізики для обгрунтування стійкості атомів (згадаємо, що втрата енергії електроном приводить до його падіння на ядро), Бор припустив, що атом у стаціонарному стані не випромінює (див. попередній розділ). Це означало, що електромагнітна теорія випромінювання для опису електронів, що рухаються по орбітах стабільним, не годиться. Але квантова концепція атома, відмовившись від електромагнітної концепції, не могла пояснити властивості випромінювання. Виникла задача: спробувати встановити певну відповідність між квантовими явищами і рівняннями електродинаміки з метою зрозуміти, чому класична електромагнітна теорія дає вірний опис явищ великого масштабу. У класичній теорії рухомий в атомі електрон випромінює безперервно і одночасно світло різних частот. У квантовій ж теорії електрон, що знаходиться всередині атома на стаціонарній орбіті, навпаки, не випромінює - випромінювання кванта відбувається лише в момент переходу з однієї орбіти на іншу, тобто випромінювання спектральних ліній певного елемента є дискретним процесом. Таким чином, у наявності два абсолютно різних уявлення. Чи можна їх привести у відповідність і якщо так, то в якій формі?
Очевидно, що відповідність з класичною картиною можливо лише при одночасному випущенні всіх спектральних ліній. У той же час очевидно, що з квантової позиції випромінювання кожного кванта є актом індивідуальним, а тому для отримання одночасного випускання всіх спектральних ліній необхідно розглядати цілий великий ансамбль атомів однакової природи, в якому здійснюються різні індивідуальні переходи, що призводять до випускання різних спектральних ліній конкретного елемента . У цьому випадку поняття інтенсивності різних ліній спектра необхідно представляти статистично. Для визначення інтенсивності індивідуального випромінювання кванта необхідно розглядати ансамбль великого числа однакових атомів. Електромагнітна теорія дозволяє дати опис макроскопічних явищ, а квантова теорія тих явищ, в яких важливу роль відіграють безліч квантів. Тому цілком ймовірно, що результати, отримані квантової теорії, будуть прагнути до класичних в області множини квантів. Узгодження класичної та квантової теорій і слід шукати в цій області. Для обчислення класичних і квантових частот необхідно з'ясувати, чи збігаються ці частоти для стаціонарних станів, які відповідають більшим квантовим числам. Бор висунув припущення про те, що для наближеного обчислення реальної інтенсивності і поляризації можна використовувати класичні оцінки інтенсивностей і поляризацій, екстраполюючи на область малих квантових чисел то відповідність, яке було встановлене для великих квантових чисел. Даний принцип відповідності знайшов підтвердження: фізичні результати квантової теорії при великих квантових числах повинні збігатися з результатами класичної механіки, а релятивістська механіка при малих швидкостях переходить у класичну механіку. Узагальнена формулювання принципу відповідності може бути виражена як твердження, згідно з яким нова теорія, яка претендує на більш широку область застосування в порівнянні зі старою, повинна включати в себе останню як окремий випадок. Використання принципу відповідності і надання йому більш точної форми сприяли створенню квантової та хвильової механіки.
До кінця першої половини XX століття в дослідженнях природи світла склалися дві концепції - хвильова і корпускулярна, які залишилися не в змозі подолати розділяє їх розрив. Виникла нагальна потреба створити нову концепцію, в якій квантові ідеї повинні лягти в її основу, а не виступати в ролі такого собі "доважок". Реалізація цієї потреби була здійснена створенням хвильової механіки і квантової механіки, які по суті склали єдину нову квантову теорію - відмінність полягала у використовуваних математичних мовами. Квантова теорія як нерелятивистская теорія руху мікрочастинок з'явилася найглибшою і широкої фізичної концепцією, що пояснює властивості макроскопічних тел. У якості її основи були покладені ідея квантування Планка-Ейнштейна-Бора і гіпотеза про хвилі матерії де Бройля.
в) Хвильова механіка
Її основні ідеї з'явилися в 1923-1924 рр.., Коли Л. де Бройля була висловлена ​​думка про те, що електрон повинен мати і хвильовими властивостями, навіяна аналогією зі світлом. До цього часу подання про дискретну природу випромінювання та існування фотонів вже досить зміцнилися, тому для повного опису властивостей випромінювання треба було по черзі представляти його то як частку, то як хвилю. А оскільки Ейнштейн вже показав, що дуалізм випромінювання пов'язаний з існуванням квантів, то природно було поставити питання про можливість виявлення подібного дуалізму і в поведінці електрона (і взагалі матеріальних частинок). Гіпотеза де Бройля про хвилі матерії отримала підтвердження виявленим в 1927 р. явищем дифракції електронів: виявилося, що пучок електронів дає дифракційну картину. (Пізніше буде виявлена ​​дифракція і в молекул.)
Виходячи з ідеї де Бройля про хвилі матерії, Е. Шредінгер в 1926 р. вивів основне рівняння механіки (яку він назвав хвильової), що дозволяє визначити можливі стану квантової системи та їх зміну в часі. Рівняння містило так звану хвильову функцію y (пси-функцію), яка описує хвилю (в абстрактному, конфігураційному просторі). Шредінгер дав загальне правило перетворення даних класичних рівнянь в хвильові, які відносяться до багатовимірному конфігураційному простору, а не реальному тривимірному. Псі-функція визначала щільність ймовірності перебування частинки в даній точці. У рамках хвильової механіки атом можна було уявити у вигляді ядра, оточеного своєрідним хмарою ймовірності. За допомогою псі-функції визначається ймовірність присутності електрона в певній області простору.
г) Квантова (матрична) механіка.
Принцип невизначеності
У 1926 р. В. Гейзенберг розробляє свій варіант квантової теорії у вигляді матричної механіки, відштовхуючись при цьому від принципу відповідності. Зіткнувшись з тим, що при переході від класичної точки зору до квантової потрібно розкласти всі фізичні величини і звести їх до набору окремих елементів, що відповідають різним можливим переходам квантового атома, він прийшов до того, щоб кожну фізичну характеристику квантової системи представляти таблицею чисел (матрицею) . При цьому він свідомо керувався метою побудувати феноменологічну концепцію, щоб виключити з неї все, що неможливо спостерігати безпосередньо. У цьому випадку немає ніякої необхідності вводити в теорію положення, швидкість або траєкторію електронів в атомі, оскільки ми не можемо ані вимірювати, ні спостерігати ці характеристики. У розрахунки слід вводити лише ті величини, які пов'язані з реально спостерігаються стаціонарними станами, переходами між ними та супроводжуючими їх випромінюваннями. У матрицях елементи були розташовані у рядки та стовпці, причому кожен з них мав два індекси, один з яких відповідав номеру стовпця, а інший - номеру рядка. Діагональні елементи (тобто елементи, індекси яких збігаються) описують стаціонарний стан, а недіагональні (елементи з різними індексами) - описують переходи з одного стаціонарного стану в інший. Величина ж цих елементів зв'язується з величинами, що характеризують випромінювання при даних переходах, отриманими за допомогою принципу відповідності. Саме таким способом Гейзенберг будував матричну теорію, всі величини якої повинні описувати лише спостережувані явища. І хоча наявність в апараті його теорії матриць, що зображують координати та імпульси електронів в атомах, залишає сумнів у повному виключенні неспостережуваних величин, Гейзенберту вдалося створити нову квантову концепцію, що склала новий щабель у розвитку квантової теорії, суть якої полягає в заміні фізичних величин, що мають місце в атомній теорії, матриць - таблиць чисел. Результати, до яких приводили методи, використовувані в хвильової і матричної механіки, виявилися однаковими, тому обидві концепції і входять в єдину квантову теорію як еквівалентні. Методи матричної механіки, в силу своєї більшої компактності часто швидше призводять до потрібних результатів. Методи хвильової механіки, як вважається, краще узгоджується з образом мислення фізиків і їх інтуїцією. Більшість фізиків при розрахунках користується хвильовим методом і використовує хвильові функції.
Гейзенберг сформулював принцип невизначеності, відповідно до якого координати і імпульс не можуть одночасно приймати точні значення. Для передбачення положення і швидкості частки важливо мати можливість точно вимірювати її положення і швидкість. При цьому чим точніше вимірюється положення частки (її координати), тим менш точними виявляються вимірювання швидкості.
Хоча світлове випромінювання складається з хвиль, однак відповідно до ідеї Планка, світло поводиться як частинка, бо випромінювання і поглинання його здійснюється у вигляді квантів. Принцип невизначеності ж свідчить про те, що частинки можуть вести себе як хвилі - вони як би "розмазані" в просторі, тому можна говорити не про їх точні координати, а лише про можливість їхнього виявлення в певному просторі. Таким чином, квантова механіка фіксує корпускулярно-хвильовий дуалізм - в одних випадках зручніше частки вважати хвилями, в інших, навпаки, хвилі частками. Між двома хвилями-частинками можна спостерігати явище інтерференції. Якщо гребені однієї хвилі збігаються з западинами іншої хвилі, то вони гасять один одного, а якщо гребені і западини однієї хвилі збігаються з гребенями і западинами іншої хвилі, то вони посилюють один одного.
д) Інтерпретації квантової теорії.
Принцип додатковості
Виникнення і розвиток квантової теорії призвело до зміни класичних уявлень про структуру матерії, рух, причинності, простір, час, характер пізнання і т.д., що сприяло корінного перетворення картини світу. Для класичного розуміння матеріальної частинки було характерно різке її виділення з навколишнього середовища, володіння власним рухом і місцем знаходження у просторі. У квантовій теорії частка стала представлятися як функціональна частина системи, в яку вона включена, не має одночасно координат і імпульсу. У класичній теорії рух розглядалося як перенесення частки, що залишається тотожне самій собі, по певній траєкторії. Двоїстий характер руху частки зумовив необхідність відмови від такого подання руху. Класичний (динамічний) детермізм поступився місцем імовірнісного (статистичному). Якщо раніше ціле розумілося як сума становить частин, то квантова теорія виявила залежність властивостей частки від системи, в яку вона включена. Класичне розуміння пізнавального процесу було пов'язано з пізнанням матеріального об'єкта як існуючого самого по собі. Квантова теорія продемонструвала залежність знання про об'єкт від дослідницьких процедур. Якщо класична теорія претендувала на завершеність, то квантова теорія з самого початку розгорталася як незавершена, яка грунтується на ряді гіпотез, сенс яких спочатку був далеко не ясний, а тому її основні положення отримували різне тлумачення, різні інтерпретації.
Розбіжності виявилися насамперед з приводу фізичного сенсу подвійності мікрочастинок. Де Бройль спочатку висунув концепцію хвилі-пілота, відповідно до якої хвиля і частка співіснують, хвиля веде за собою частку. Реальним матеріальним утворенням, яке зберігає свою стійкість, є частка, оскільки саме вона володіє енергією та імпульсом. Хвиля, що несе частку, управляє характером руху частки. Амплітуда хвилі в кожній точці простору визначає ймовірність локалізації частинки поруч з цією точкою. Шредінгер проблему подвійності частки вирішує по суті шляхом її зняття. Для нього частка виступає як чисто хвильовий освіту. Інакше кажучи, частка є місце хвилі, в якому зосереджена найбільша енергія хвилі. Інтерпретації де Бройля і Шредінгера являли собою по суті спроби створити наочні моделі в дусі класичної фізики. Однак це виявилося неможливим.
Гейзенбергом була запропонована інтерпретація квантової теорії, виходячи (як було показано раніше) з того, що фізика повинна користуватися лише поняттями і величинами, заснованими на вимірюваннях. Гейзенберг тому і відмовився від наочного уявлення руху електрона в атомі. Макропрібори не можуть дати опис руху частинки з одночасною фіксацією імпульсу і координат (тобто в класичному сенсі) з причини принципово неповною контрольованості взаємодії приладу із часткою - в силу співвідношення невизначеностей вимір імпульсу не дає можливості визначити координати і навпаки. Інакше кажучи, через принципової неточності виміру передбачення теорії можуть мати лише імовірнісний характер, причому ймовірність є наслідком принципової неповноти інформації про рух частинки. Ця обставина привела до висновку про катастрофу принципу причинності в класичному сенсі, що припускав пророкування точних значень імпульсу та координати. У рамках квантової теорії, таким чином, мова йде не про помилки спостереження або експерименту, а про принципову нестачі знань, які і виражаються за допомогою функції ймовірності.
Інтерпретація квантової теорії, здійснена Гейзенбергом, була розвинена Бором і отримала назву копенгагенської. У рамках даної інтерпретації основним положенням квантової теорії виступає принцип додатковості, що означає вимогу застосовувати для отримання в процесі пізнання цілісної картини досліджуваного об'єкта взаємовиключні класи понять, приладів і дослідницьких процедур, які використовуються в своїх специфічних умовах і взаімозаполняют один одного. Даний принцип нагадує співвідношення невизначеностей Гейзенберга. Якщо мова йде про визначення імпульсу та координати як взаємовиключних і взаємодоповнюючих дослідницьких процедур, то для ототожнення цих принципів є підстави. Проте сенс принципу додатковості ширше, ніж співвідношення невизначеностей. Для того, щоб пояснити стійкість атома, Бор поєднав в одній моделі класичні і квантові уявлення про рух електрона. Принцип додатковості, таким чином, дозволив класичні уявлення доповнити квантовими. Виявивши протилежність хвильових і корпускулярних властивостей світла і не знайшовши їх єдності, Бор схилився до думки про двох, еквівалентних один одному, способи опису - хвильовому і корпускулярном - з наступним їх поєднанням. Так що точніше говорити про те, що принцип додатковості виступає розвитком співвідношення невизначеності, виражають зв'язку координати і імпульсу.
Ряд вчених витлумачили порушення принципу класичного детермінізму в рамках квантової теорії на користь індетернізма. У дійсності ж тут принцип детермінізму змінював свою форму. У рамках класичної фізики, якщо в початковий момент часу відомі положення і стан руху елементів системи, можна повністю передбачити її положення в будь-який майбутній момент часу. Всі макроскопічні системи були підпорядковані цим принципом. Навіть у тих випадках, коли доводилося вводити ймовірності, завжди передбачалося, що всі елементарні процеси суворо детернізіровани і що тільки їх велика кількість і безладність поведінки змушує звертатися до статистичних методів. У квантовій теорії ситуація принципово інша. Для реалізації принципів детернізаціі тут необхідно знати координати та імпульси, і це співвідношенням невизначеності забороняється. Використання ймовірності тут має інший зміст у порівнянні зі статистичною механікою: якщо в статистичній механіці ймовірності використовувалися для опису великомасштабних явищ, то в квантовій теорії ймовірності, навпаки, вводяться для опису самих елементарних процесів. Все це означає, що у світі великомасштабних тел діє динамічний принцип причинності, а у мікросвіті - імовірнісний принцип причинності.
Копенгагенська інтерпретація передбачає, з одного боку, опис експериментів в поняттях класичної фізики, а з іншого - визнання цих понять неточно відповідними дійсному стану речей. Саме ця суперечливість і обумовлює ймовірність квантової теорії. Поняття класичної фізики складають важливу складову частину природної мови. Якщо ми не будемо використовувати цих понять для опису експериментів, що проводяться, то ми не зможемо зрозуміти один одного.
Ідеалом класичної фізики є повна об'єктивність знання. Але в пізнанні ми використовуємо прилади, а тим самим, як каже Гейнзерберг, в опис атомних процесів вводиться суб'єктивний елемент, оскільки прилад створений спостерігачем. "Ми повинні пам'ятати, що те, що ми спостерігаємо, - це не сама природа, а природа, яка виступає в тому вигляді, в якому вона виявляється завдяки нашому способу постановки питань наукова робота у фізиці полягає в тому, щоб ставити питання про природу на мові, якою ми користуємося, і намагатися отримати відповідь в експерименті, виконаному за допомогою наявних у нас в розпорядженні засобів. При цьому згадуються слова Бора про квантової теорії: якщо шукають гармонії в житті, то ніколи не можна забувати, що у грі життя ми одночасно і глядачі, і учасники. Зрозуміло, що в нашому науковому відношенні до природи наша власна діяльність стає важливою там, де нам доводиться мати справу з областями природи, проникнути в які можна тільки завдяки найважливішим технічних засобів "
Класичні уявлення простору і часу також виявилося неможливим використовувати для опису атомних явищ. Ось що писав з цього приводу інший творець квантової теорії: "існування кванта дії виявило абсолютно непередбачену зв'язок між геометрією і динамікою: виявляється, що можливість локалізації фізичних процесів в геометричному просторі залежить від їх динамічного стану. Загальна теорія відносності вже навчила нас розглядати локальні властивості простору -часу в залежності від розподілу речовини у Всесвіті. Однак існування квантів вимагає набагато більш глибокого перетворення і більше не дозволяє нам представляти рух фізичного об'єкта вздовж певної лінії в просторі-часу (світовий лінії). Тепер не можна визначити стан руху, виходячи з кривої, що зображає послідовні положення об'єкта в просторі з плином часу. Тепер потрібно розглядати динамічний стан не як наслідок просторово-часової локалізації, а як незалежний і додатковий аспект фізичної реальності "
Дискусії з проблеми інтерпретації квантової теорії оголили питання про саме статус квантової теорії - чи є вона повною теорією руху мікрочастинки. Вперше питання таким чином був сформульований Ейнштейном. Його позиція одержала вираження в концепції прихованих параметрів. Ейнштейн виходив з розуміння квантової теорії як статистичної теорії, що описує закономірності, які стосуються поведінці не окремої частки, а їх ансамблю. Кожна частка завжди строго локалізована, одночасно володіє певними значеннями імпульсу та координати. Співвідношення невизначеностей відображає не реальний пристрій дійсності на рівні мікропроцесів, а неповноту квантової теорії - просто на її рівні ми не маємо можливості одночасно вимірювати імпульс і координату, хоча вони насправді існують, але як приховані параметри (приховані в рамках квантової теорії). Опис стану частинки за допомогою хвильової функції Ейнштейн вважав неповним, а тому і квантову теорію представляв у вигляді неповної теорії руху мікрочастинки.
Бор в даній дискусії зайняв протилежну позицію, що виходить з визнання об'єктивної невизначеності динамічних параметрів мікрочастинки як причини статистичного характеру квантової теорії. На його думку, заперечення Ейнштейном існування об'єктивно невизначених величин залишає непоясненим властиві мікрочастинок хвильові риси. Повернення до класичним уявленням руху мікрочастинки Бор вважав неможливим.
У 50-х рр.. ХХ століття Д. Бом повернувся до концепції хвилі-пілота де Бройля, представивши псі-хвилю у вигляді реального поля, пов'язаного з часткою. Прихильники копенгагенської інтерпретації квантової теорії і навіть частина її противників позицію Бома не підтримали, проте вона сприяла більш поглибленої опрацювання концепції де Бройля: частка стала розглядатися у вигляді особливої ​​освіти, що виникає і рухається в псі-поле, але зберігає свою індивідуальність. Роботи П. Віж'є, Л. Яноші, що розробляли дану концепцію, були оцінені багатьма фізиками як занадто "класичності".
У вітчизняній філософській літературі радянського періоду Копенгагенська інтерпретація квантової теорії була піддана критиці за "прихильність до позитивістським установкам" в трактуванні процесу пізнання. Проте поруч авторів відстоювалася справедливість копенгагенської інтерпретації квантової теорії. Зміна класичного ідеалу наукового пізнання некласичним супроводжувалася розумінням того, що спостерігач, намагаючись побудувати картину об'єкта, не може відвернутися від процедури вимірювання, тобто дослідник виявляється не в змозі вимірювати параметри досліджуваного об'єкта такими, якими вони були до процедури вимірювання. В. Гейзенберг, Е. Шредінгер і П. Дірак поклали принцип невизначеності в основу квантової теорії, в рамках якої частинки вже не мали визначених і не залежать один від одного імпульсу і координат. Квантова теорія, таким чином, внесла в науку елемент непередбачуваності, випадковості. І хоча Ейнштейн не зміг погодитися з цим, квантова механіка узгоджувалася з експериментом, а тому стала основою багатьох областей знання.
е) Квантова статистика
Одночасно з розвитком хвильової та квантової механіки розвивалася інша складова частина квантової теорії - квантова статистика або статистична фізика квантових систем, що складаються з великого числа частинок. На основі класичних законів руху окремих частинок була створена теорія поведінки їх сукупності - класична статистика. Аналогічно цьому на основі квантових законів руху частинок була створена квантова статистика, що описує поведінку макрооб'єктів у випадках коли закони класичної механіки не застосовні для опису руху складових їх мікрочастинок - в даному випадку квантові властивості проявляються у властивостях макрооб'єктів. Важливо мати на увазі, що під системою в даному випадку розуміються лише взаємодіють один з одним частинки. Квантова система при цьому не може розглядатися як сукупність частинок, що зберігають свою індивідуальність. Іншими словами, квантова статистика вимагає відмови від подання розрізнення частинок - це отримало назву принципу тотожності. В атомній фізиці дві частинки однієї природи вважалися тотожними. Однак ця тотожність не визнавалася абсолютною. Так, дві частинки однієї природи можна було розрізняти хоча б подумки.
У квантовій статистиці можливість розрізнити дві частинки однакової природи повністю відсутня. Квантова статистика виходить з того, що два стани системи, які відрізняються один від одного лише перестановкою двох часток однакової природи, тотожні і невиразні. Таким чином, основне положення квантової статистики - принцип тотожності однакових частинок, що входять в квантову систему. Цим квантові системи відрізняються від класичних систем.
У взаємодії мікрочасті важлива роль належить спину - власному моменту кількості руху мікрочастинки. (У 1925 р. Д. Уленбеком і С. Гаудсмитом вперше було відкрито існування спина у електрона). Спін д електронів, протонів, нейтронів, нейтрино і ін частинок виражається напівцілим величиною, у фотонів та пі-мезонів - целочисленной величиною (1 або 0). У залежності від спина мікрочастинка підпорядковується одному з двох різних типів статистики. Системи тотожних часток з цілим спіном (бозони) підпорядковуються квантової статистики Бозе-Ейнштейна, характерною особливістю якої є те, що в кожному квантовому стані може знаходитися довільне число частинок. Даний тип статистики було запропоновано в 1924 р. Ш. Бозе і потім удосконалено Ейнштейном). У 1925 р. для частинок з напівцілим спіном (ферміонів) Е. Фермі і П. Дірак (незалежно один від одного) запропонували інший тип квантової статики, що отримав ім'я Фермі-Дірака. Характерною особливістю цього типу статики є те, що в кожному квантовому стані може знаходитися довільне число частинок. Це вимога називається принципом заборони В. Паулі, який був відкритий в 1925 р. Статистика першого типу підтверджується при дослідженні таких об'єктів, як абсолютно чорне тіло, другого типу - електронний газ в металах, нуклони в атомних ядрах і т.д.
Принцип Паулі дозволив пояснити закономірності заповнення електронами оболонок в багатоелектронних атомах, дати обгрунтування періодичній системі елементів Менделєєва. Цей принцип, висловлює специфічна властивість частинок, які йому підпорядковуються. І зараз важко зрозуміти, чому дві тотожні частки взаємно забороняють один одному займати одне і те ж стан. Подібного типу взаємодії в класичній механіці не існує. Яка його фізична природа, які фізичні джерела заборони - проблема, що чекає дозволу. Сьогодні ясно одне: фізична інтерпретація принципу заборони в рамках класичної фізики неможлива.
Важливим висновком квантової статистики є положення про те, що частка, що входить в яку-небудь систему, не тотожна такій же частці, але входить у систему іншого типу або вільну. Звідси випливає важливість завдання виявлення специфіки матеріального носія певного властивості систем.
ж) Квантова теорія поля
Квантова теорія поля є поширення квантових принципів на опис фізичних полів в їх взаємодію і взаємоперетвореннях. Квантова механіка має справу з описом взаємодій порівняно малої енергії, при яких число взаємодіючих частинок зберігається. При великих енергіях взаємодії найпростіших часток (електронів, протонів і т.д.) відбувається їх взаємоперетворення, тобто одні частки зникають, інші народжуються, причому число їх міняється. Більшість елементарних частинок нестабільно, спонтанно розпадається до тих пір, поки не утворюються стабільні частинки - протони, електрони, фотони і нейтрони. При зіткненнях елементарних частинок, якщо енергія взаємодіючих частинок достатньо велика, відбувається множинне народження частинок різного спектру. Оскільки квантова теорія поля призначена для опису процесів при високих енергіях, тому повинна задовольняти вимогам теорії відносності.
Сучасна квантова теорія поля включає три типи взаємодії елементарних частинок: слабкі взаємодії, що зумовлюють головним чином розпад нестійких частинок, сильні і електромагнітні, відповідальні за перетворення частинок при їх зіткненні.
Квантова теорія поля, що описує перетворення елементарних частинок, на відміну від квантової механіки, яка описує їх рух, не є послідовною і завершеною, вона сповнена труднощів і протиріч. Найбільш радикальним способом їх подолання вважається створення єдиної теорії поля, в основу якої має бути покладено єдиний закон взаємодії первинної матерії - із загального рівняння повинен виводитися спектр мас і спінів всіх елементарних частинок, а також значення зарядів частинок. Таким чином, можна сказати, що квантова теорія поля ставить за мету вироблення більш глибокого уявлення про елементарної частинки, що виникає за рахунок поля системи інших елементарних частинок.
Взаємодія електромагнітного поля з зарядженими частинками (головним чином електронами, позитронами, мюонами) вивчається квантової електродинаміки, в основі якої лежить уявлення про дискретність електромагнітного випромінювання. Електромагнітне поле складається з фотонів, які мають корпускулярно-хвильовими властивостями. Взаємодія електромагнітного випромінювання з зарядженими частинками квантова електродинаміка розглядає як поглинання і випускання частками фотонів. Частка може випустити фотони, а потім поглинути їх.
Отже, відхід квантової фізики від класичної полягає у відмові від того, щоб описувати індивідуальні події, що відбуваються у просторі та часі, і використанні статистичного методу з його хвилями ймовірності. Мета класичної фізики полягає в описі об'єктів у просторі і часі і в формуванні законів, які керують зміною цих об'єктів у часі. Квантова фізика, що має справу з радіоактивним розпадом, дифракцією, випусканням спектральних ліній і тому подібними явищами, не може задовольнитися класичним підходом. Судження типу "такий-то об'єкт має таке-то властивість", характерне для класичної механіки, у квантовій фізиці замінюється судженням типу "такий-то об'єкт має таке-то властивість з такою-то ступенем вірогідності". Таким чином, у квантовій фізиці мають місце закони, що керують змінами ймовірності в часі, в класичній же фізиці ми маємо справу із законами, які керують змінами індивідуального об'єкта в часі. Різні реальності підпорядковуються різним за характером законам.
Квантова фізика в розвитку фізичних ідей і взагалі стилю мислення посідає особливе місце. До числа найбільших створінь людського розуму відноситься, безсумнівно і теорія відносності - спеціальна і загальна, що представляє собою нову систему ідей, що об'єднала механіку, електродинаміку і теорію тяжіння і дала нове розуміння простору і часу. Але це була теорія, яка в певному сенсі була завершенням і синтезом фізики XIX століття, тобто вона не означала повного розриву з класичними теоріями. Квантова ж теорія поривала з класичними традиціями, вона створила нову мову і новий стиль мислення, що дозволяє проникати в мікросвіт з його дискретними енергетичними станами і дати його опис за допомогою введення характеристик, відсутніх в класичній фізиці, що в кінцевому рахунку дозволило зрозуміти сутність атомних процесів. Але разом з тим квантова теорія внесла в науку елемент непередбачуваності, випадковості, ніж вона відрізнялася від класичної науки.
4. Концепції фізики атомних і ядерних процесів
а) Моделі атома
Вирішальним моментом у розвитку теорії будови атома було відкриття електрона. Наявність в електрично нейтральному атомі негативно зарядженої частинки спонукало припускати наявність частки з позитивним зарядом. Модель Д. Томсона, не будучи в змозі пояснити характер атомних спектрів, що випромінюються атомами, поступилася місцем планетарної моделі Е. Резерфорда. Досліджуючи розсіювання атомами речовини альфа-частинок, що випромінюються радіоактивними речовинами, він відкрив атомне ядро ​​і побудував планетарну модель атома. Виявилося, що атом складається не з позитивно зарядженого хмари, в якому (подібно родзинок в булці) знаходяться електрони, як це передбачав Д. Томсон, а з електрона і ядра розміром близько 10 ^-13 см, в якому зосереджена майже вся маса атома. Атом подібний Сонячній системі: у центрі нього знаходиться важке ядро, навколо нього обертаються електрони. Однак, відповідно до електродинаміки Максвелла, такий атом не може бути стійким: рухаючись по кругових (або еліптичним) орбітах, електрон відчуває прискорення, а тому він повинен випромінювати електромагнітні хвилі, які мають енергію. Втрата енергії призведе електрон до падіння на ядро. Таким чином, подібний атом не може бути стійким, а тому в реальності не може існувати. Таким чином, класична фізика не могла знайти пояснення стійкості атомів.
Розробка наступної моделі атома належить Н. Бору. Взявши за основу модель Резерфорда, він використовував і ідеї квантової теорії. Бор висунув припущення, згідно з яким в атомах існують особливі стаціонарні стани, в яких електрони не випромінюють - випромінювання відбувається лише при переході з одного стаціонарного стану в інший.
Внутрішня будова атома вивчати безпосередньо неможливо, оскільки мікроскопічні розміри недоступні прямому сприйняттю, тому про структуру атома можна судити з її непрямим проявам макроскопічного масштабу. Таким проявом є випромінювання атомів під впливом нагрівання або зовнішнього електричного поля. Вивчення спектрів випромінювання дозволяє одержати дані про внутрішню структуру атома - для кожного атома характерні особливості спектру. Класична фізика не могла пояснити закони, яким підпорядковувалися атомні спектри. Модель Бора виявила справжнє значення спектральних законів і дозволила встановити, як ці закони відображають квантовий характер внутрішньої структури атома - стійкість структури атома виявилася нерозривно пов'язаною з існуванням квантів. У моделі Бора кожен атом володіє деякою послідовністю квантових (стаціонарних) станів. Кожен вид атома має свою послідовність квантових значень енергії, відповідних різним можливим стаціонарним станам. Висновок про те, що в стійкому стані атом не повинен випромінювати, не відповідав даними класичної електродинаміки, згідно яким електрони, що рухаються з прискоренням, повинні були безперервно випромінювати електромагнітні хвилі. Бор і припустив, що кожна спектральна лінія відповідає миттєвому переходу атома з одного квантового стану в інший, яке характеризується меншим значенням енергії. Надлишок енергії при цьому несеться у вигляді окремих квантів (фотонів).
Модель атома Бора показала свою плідність у застосуванні до атома водню, дозволивши зрозуміти структуру оптичного спектра. Але спроба застосувати дану модель до більш складним атомам, які мають більше електронів, виявила обмеженість даної моделі - результати її застосування лише дуже приблизно відповідають даним експерименту. Крім того, модель атома Бора мала методом квантування дії лише для одновимірного руху (запропонованого ще Планком). Тому необхідно було знайти методи квантування для випадків багатовимірного руху. Цей метод був знайдений в 1916 р. Ч. Вільсоном і А. Зоммерфельдом (майже одночасно один з одним) і використаний для вирішення тих завдань, які не могли бути вирішені за допомогою моделі атома Бора. Таким шляхом була створена концепція тонкої структури лінії спектра. Випромінювання ліній спектра водню за допомогою спектрографів з високою роздільною здатністю дозволило виявити тонку структуру спектру - виявилося, що спектральні лінії самі складаються з ряду близько розташованих один до одного ліній. Зоммерфельд висловив припущення про зв'язок тонкої структури спектральних ліній з релятивістськими ефектами і припустив замість рівнянь ньютонівської механіки використовувати рівняння релятивістської механіки. Припущення Зоммерфельда дали результати, які узгоджуються з експериментальними даними. Разом з тим отримана Зоммерфельдом картина спектральних ліній виявилася значно біднішими реальної, тому його модель не могла дати достатньо повні пояснення тонкої структури спектральних ліній.
Для моделі атома Бора основоположним є твердження про те, що електрони всередині атома можуть перебувати лише у стаціонарних станах, які відповідають певним квантовим значенням енергії. Отже, існують певні енергетичні рівні, на яких знаходяться електрони. Як відомо, атом кожного наступного елемента має на один електрон більше, ніж попереднього. Значить, у міру зростали атомного номера ускладнюється структура електронних оболонок атомів. На основі знання цієї структури можна встановлювати фізичні і хімічні властивості елементів. У періодичній системі Д. І. Менделєєва елементи розташовані в порядку зростали атомної ваги, причому в розташованих таким чином елементах виявляється певна періодичність у хімічних властивостях цих елементів. Фізична природа цієї періодичності виявляється досить складною. Теорія атома повинна мати можливість пояснити цю природу. Для цього модель Бора необхідно було доповнити вимогою, щоб на одному енергетичному рівні могло перебувати лише обмежене число електронів (явище насичення енергетичного рівня електронами). Якби даного насичення не існувало, то в нормальному (стабільному) стані атома всі електрони атома було б на нижчому рівні, який відповідає найменшої енергії. Але внаслідок насичення рівнів подібна ситуація виявляється неможливою.
Рухаючись по періодичній системі елементів, можна бачити, як поступово заповнюються один за одним нижчі енергетичні рівні - як тільки нижчий рівень виявляється заповненим, настає черга наступного рівня. Тонка структура спектральних ліній при цьому свідчить про розщеплення енергетичних рівнів електронів усередині атома на ряд підрівнів. Заповнюють ці рівні підрівні електрони (які мають майже однаковою енергією) утворюють оболонку. При заповненні один за одним наступних рівнів, таким чином, утворюються різні оболонки. Змінна при русі по таблиці Менделєєва періодичність властивостей пояснюється характером заповнення оболонок електронами. Таким чином, дослідження спектрів відіграє величезну роль у вивченні внутрішньої структури атома.
Модель Бора, дозволяючи визначити частоту випромінювання, не давала можливості визначати інтенсивність випромінювання та його поляризацію, що абсолютно необхідно для уточнення природи випромінювання, яке виникає при переходах електронів усередині атома з одного стаціонарного стану в інший. Бор цей недолік намагався усунути за допомогою принципу відповідності. Крім того, модель Бора була непослідовною: відкидаючи ряд положень класичної механіки та електродинаміки, вона використовувала як класичні поняття і формули, так і квантові. Бор розумів обмежений характер власної моделі атома. Принцип відповідності вказував на одне з нових напрямків. Однак згодом, із створенням квантової механіки, було з'ясовано, що при описі будови атома класичні уявлення не можуть мати місця.
б) Структура атомного ядра
Дослідження структури атома поставило питання про те, що являє собою ядро, яка його структура. У ядрі зосереджена майже вся маса атома (маса електронів, що входять в атом, зневажливо мала в порівнянні з масою ядра), воно має позитивний заряд, еквівалентний сумарному заряду входять до нього електронів. Заряд ядра будь-якого елемента дорівнює його порядковому номеру в періодичній системі елементів. Проблема структури атомного ядра одержала дозвіл з відкриттям у 1932 році Д. Чедвіком нейтрона - третьої елементарної частинки після електрона і протона. Маса нейтрона близька до маси протона. Електричний заряд у протона відсутня Д. Д. Іваненко сформулював протонно-нейтронну концепцію будови атомного ядра, яку потім розробив В. Гейзенберг. Ядра, що складаються з протонів і нейтронів отримали назву нуклонів. У тому ж 1932 році в космічних променях К. Андерсоном був відкритий позитрон - позитивно заряджений електрон, що забезпечив симетрію між позитивним і негативним зарядами у взаєминах часток. Його існування було передбачене П. Діраком, що линули з того, що позитивні заряди у Всесвіті є свого роду відсутні частини світового негативного заряду - позитрон є "дірка" у розподілі електронів з негативною енергією. Зіткнення електрона і позитрона призводить до анігіляції - їх перетворення в два фотони, що випускаються в протилежних напрямках.
в) Процеси ядерного перетворення
Наступне питання, яке постало перед фізиками після виявлення структури атомного ядра, стосувався сил, які скріплюють нуклони в ядрі. У зв'язку з його розширенням з'ясувалося, що взаємини між нейтроном і протоном не настільки прості, як здавалося спочатку. Виявилося, що точніше говорити про структуру атомного ядра, що складається з протонів, нейтронів і мезонів. Мезони, існування яких було в 1935 році передбачено Г. Юкава і відкрито Ч. Андерсоном і С. Неддермейером, і виявилися силами тяжіння, які за величиною перевершують електричні сили, що діють між однойменно зарядженими протонами. Ядерні сили - це вид основних фізичних сил, що діють у природі, поряд з гравітаційними й електромагнітними.
З усіх названих частинок нейтрон виявився найбільш придатним для здійснення процесу ядерного перетворення, оскільки через відсутність у нього заряду він здатний глибше проникнути в речовину, входити в позитивно заряджені ядра атомів, які відштовхують позитивно заряджені протони й альфа-частинки. Завдяки цьому в короткий термін було вивчено дію нейтронів на різні ядра, що призвело до відкриття штучної радіоактивності. Вирішальне досягнення в цій області належить Ф. Жоліо Кюрі і І. Кюрі, що встановив, що майже всі піддані бомбардуванню атоми стають радіоактивними. Це означало, що природна радіоактивність є лише залишкової активністю атомів, які ще не встигли досягти стійких станів. Знання атомних перетворень могло допомогти пояснити, яким чином виникли елементи.
Що почалося з 30-х рр.. ХХ століття створення прискорювачів дало можливість підвищити ефективність досліджень у цій області. Х. А. Бете і Г. А. Гамов сприяли встановленню ймовірних циклів термоядерних реакцій, що є джерелами внутрізвездной енергії. Стало ясно, що джерелом більшої частини енергії Всесвіту є ядерні процеси. Постало завдання з'ясування механізму вивільнення цієї енергії. Е. Фермі, піддавши бомбардуванню нейтронами важкі елементи, виявив величезну ефективність повільних нейтронів. О. Ган і Ф. Штрасман відкрили ділення ядер урану під дією нейтронів. О. Ган та Л. Майтнер досліджували продукти розпаду опроміненого урану і відшукали серед них елементи до атомного номера 96. Поділ ядер стало встановленим фактом.
Важкі ядра можуть мати більше нейтронів по відношенню до числа протонів в порівнянні з легкими ядрами. При розщепленні атома урану звільняється кілька нейтронів. Так відкрилася можливість ланцюгової реакції. Якщо в ході ядерного процесу можна було домогтися отримання більше ніж одного ефективного нейтрона на кожен спочатку витрачений нейтрон, реакція прискорюється. І якщо цим процесом не управляти, а дати можливість розвиватися, то він приводив до вибуху. У разі ж управління ми маємо справу з ядерним реактором. Все це призвело до створення Фермі ядерного реактора, здійсненню ланцюгової реакцій поділу ядер, атомного і термоядерної зброї, атомних електростанцій. (Про перипетії всього цього можна познайомитися в спеціальній літературі). В історії людства почалася нова атомна ера, відкрита атомною фізикою.
Вважається, що реалізація концепцій атомної ядерної фізики стала прикладом найшвидшого практичного застосування науки. Оцінюючи це, Д. Бернал писав: "Якби це відкриття було скоєно в більш спокійні часи XIX століття, воно розробляли б у кінцевому рахунку для практичного застосування і, можливо, років через 50 або близько того знайшло б своє втілення в нових машинах для вироблення енергії. Відсутність матеріальної зацікавленості і той факт, що капітали були вкладені у вже існуючі джерела енергії, могли б, однак, ще на нескінченно довгий час затримати розвиток виробництва атомної енергії. Але, як відомо, відкриття ядерного поділу відбулося напередодні нової світової війни . На щастя для уряду Англії та Америки, деякі з тих, хто був вигнаний зі своєї батьківщини нацистами і фашистами, віддавали собі звіт у військових можливостях зробленого відкриття. Однак більш дивним було, бути може, та обставина, що їм вдалося переконати військові та цивільні влади в необхідності вкрай енергійної розробки проекту, головним чином тому, що якби вони цього не зробили, то противник, безсумнівно, першим створив би свою бомбу ".
Так чи інакше, поява подібних наукових концепцій не тільки визначає характер сучасної епохи, а й майбутнє суспільства. Поява концепцій, невміння розпорядиться якими може загрожувати знищенням людства, активно впливає на характер і форми та форми соціального устрою. Людство, вивільнивши колосальні сили, тепер приречене постійно думати над тим, як розпорядитися ними. Ця проблема людства в практично доступний для огляду час - вічна. Тому людство повинне навчитися жити з цією проблемою.
5. Концепції фізики елементарних частинок
а) Сучасний статус поняття Елементарною частинки
Уявлення про те, що все у Всесвіті ділиться на речовину і сили, що існують і в даний час, виникло давно. Ще Аристотель (див. розділ "Арістотельская фізика") вважав, що на речовина, що складається з землі, повітря, вогню і води, діють дві сили: сила тяжіння і сила легкості. Перша тягне землю і воду вниз, друга піднімає вогонь і повітря вгору. Арістотелем речовина уявлялося безперервним, а Демокріту - зернистим, що складається з атомів. Суперечка між прихильниками даних концепцій дійшов до ХХ століття. У його вирішенні важливий внесок належить Ейнштейну, який у 1905 р. (ще до публікації статті про спеціальної теорії відносності) висловив припущення, що броунівський рух (нерегулярне, хаотичний рух дрібних частинок, зважених у воді) можна пояснити ударами атомів рідини об ці частинки. Як було показано раніше, перша спроба довести структурованість атома зробив Дж.Томсон. У 1911 р. Е. Резерфорд довів, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і що обертаються довкола нього, негативно заряджених електронів. У 1932 р. Дж.Чедвік виявляє, що ядро ​​крім позитивного протона містить не заряджений нейтрон з масою майже дорівнює масі протона. У 1969 р. експерименти М.Гелл-Мана по взаємодії рухаються з великими швидкостями протонів і електронів показують, що протони складаються з кварків. Таким чином, було встановлено, що ні атоми, ні протони, ні нейтрони не є неподільними. Перед фізиками і постало питання: що ж вважати елементарними частинками? Може бути при переході до ще більших енергіях і ці елементарні частинки виявляться ділимими?
Таким чином, поняття елементарних частинок в даний час втратило свій первинний сенс як частинок далі нерозкладних, оскільки багато з частинок, які вважалися елементарними, мають складну структуру (наприклад, протони і нейтрони). Але залишилася сама ідея про існування елементарних часток. Термін "елементарні частинки" зараз вживається в менш суворому значенні, а саме для назви великої групи найдрібніших частинок матерії, які не є атомами чи атомними ядрами (за винятком протона - найпростішого ядра атома водню). Їх число велике (з нестабільними частинками налічується більше 350) і продовжує рости.
У процесі дослідження виявлених елементарних частинок встановлювалися їх властивості. У електронів і протонів були виявлені маса, розміри, електричний розряд, механічний і магнітний момент. У рамках теорії Бора були встановлені механічний і магнітний моменти електрона і протона, що були чисто квантовими властивостями. Було встановлено, що спін - власний момент кількості мікрочастинки, що має квантову природу і вимірюваний в одиницях Планка, - може бути цілим (0,1,2 ...) або напівцілим (1 / 2, 3 / 2 ...).
Дослідження бета-розпаду дозволило відкрити нову властивість елементарних частинок - їх перетворюваність один в одного: при бета-розпаді з ядра вилітає електрон, який народжується в результаті перетворення нейтрона в протон і електрон. Було виявлено при цьому, що електрони, які вилітають з ядра при бета-розпаді, володіють різними швидкостями та енергією, а що залишилися після бета-розпаду ядра мають приблизно однаковою енергією. Вимірювання встановили, що у разі вильоту повільних електронів баланс енергії при бета-розпаді не зберігається, що здавалося порушенням закону збереження в мікропроцесу. Ідея існування нейтрино, що народжується при бета-розпаді та уносящего відсутню енергію, зберегло справедливість закону збереження енергії і в мікросвіті. Відкриття перетворення нейтрона в протон і нейтрон поклало початок відкриттів інших форм перетворення елементарних частинок один в одного.
Наступним виявленим властивістю елементарних частинок була здатність певних частинок взаємодіяти один з одним. У класичній фізиці електричне взаємодія між зарядженими частинками здійснюється за допомогою електромагнітного поля. З точки зору квантової фізики взаємодія частинок є процес обміну фотонами, в якому фотони пропадають, віддаючи свою енергію зарядженим частинкам. За аналогією з освітою фотонів з'явилася ідея про те, що подібним чином можуть народжуватися й електрони. Пошуки сил, що зв'язують в ядрі протони і нейтрони, спонукали І. Є. Тамма і Д. Д. Іваненко припустити, що ядерні сили є результат обміну електронами між нуклонами. Експеримент цю гіпотезу не підтвердив. Юкава показав, що ядерні сили можуть бути пояснені як результат обміну між нуклонами частинками з масою більше маси електрона і меншої маси нуклонів (частки отримали назву мезонів-проміжних частинок), які і були виявлені в космічних променях. Переносниками ядерних сил виявилися позитивно і негативно заряджені мезони з масою, рівною 273 масам електрона, що отримали назву p-мезонів або півонії. У нейтральних мезонів маса виявилася рівною 264 масам електрона.
Дірак висловив думку про існування античастинки для електрона, яка була відкрита і названа позитроном. Виявилося, що властивістю елементарних частинок є існування античастинок, що мають протилежний заряд і протилежно спрямовані механічний і магнітний моменти. При зіткненні частинки та античастинки відбувається анігіляція, тобто їх знищення з виникненням інших часток. Так, зіткнення електрона і позитрона дає два фотони, протона і антипротона - чотири мезона і т.д.
У частинок було встановлено також властивість спонтанного перетворення. Елементарні частинки мають "час життя" - середній час свого існування. В даний час до числа стабільних часток з нескінченним часом існування відносять електрони і позитрони. До стабільним відносять також протони і антипротони (хоча висловлюються міркування про кінцевий термін життя протонів), а також нейтрино, антинейтрино, фотони. До теперішнього часу назріла необхідність у класифікації елементарних частинок (подібної періодичній системі Д. І. Менделєєва). Ця робота далеко не завершена.
б) Сучасні уявлення про характер фундаментальних фізичних взаємодій і типах елементарних частинок
У фізиці під взаємодією розуміється вплив тіл чи частинок один на одного, що призводить до зміни стану їх руху. У механіці Ньютона взаємодії характеризуються силою, більш загальною характеристикою взаємодії є потенційна енергія. У трактуванні взаємодії історично змінювали один одного різні концепції. Першою виникла концепція дальнодії, сутність якої полягає в поданні, що взаємодія між тілами може здійснюватися безпосередньо через порожній простір, який бере участь у передачі взаємодії не приймає, причому передача взаємодії відбувається миттєво. Після відкриття електромагнітного поля виникла концепція блізкодействія. Було встановлено, що взаємодія електрично заряджених частинок здійснюється не миттєво, а з деякою кінцевою швидкістю, яка дорівнює швидкості світла. Електромагнітне поле виступає посередником, що здійснює передачу взаємодії між електрично зарядженими частинками. Дана концепція була перенесена і на інші взаємодії. У рамках даної концепції взаємодії між тілами здійснюється посредствам різноманітних полів. У рамках квантової теорії трактуванні взаємодії було надано квантовий характер. Оскільки кожне тіло складається з квантів, то, наприклад, електромагнітна взаємодія здійснюється шляхом обміну фотонами і т.п.
Існує чотири різновиди взаємодії (сил), які фізики сподіваються представити як прояв однієї і тієї ж сили (взаємодії). Виявилося. що класифікацію елементарних частинок зручніше за все здійснювати за типами їх взаємодій.
Всі відомі частки прийнято розділяти на дві групи, в одну з яких входять частки зі спіном 1 / 2 (з них складається речовина Всесвіту), а в іншу - частки зі спіном 0, 1 і 2 (створюють сили, що діють між частинками речовини). Перші підкоряються принципу заборони Паулі, (що свідчить, що дві однакові частки не можуть існувати в одному і тому ж стані). Якщо б не діяв принцип Паулі, кварки не змогли б об'єднається в протони і нейтрони, які, у свою чергу, разом з електронами не змогли б об'єднатися в атоми. У 1928 р. П. Дірак розробив теорію, що описує ці частинки, яка узгоджувалася і з квантовою механікою, і зі спеціальною теорією відносності. Теорія пояснила, чому електрон зі спиною 1 / 2 при одному повному обороті не повертається в попереднє положення і повертається до нього лише при дворазовому обороті. Ця теорія пророкувала також існування позитрона (антиелектрона). Виявилося, що кожній частинці відповідає античастинки, які при зіткненні анігілюють (знищуються).
Сили між частинками речовини переносяться частинками з цілочисловим спіном, рівним 0, 1 або 2. Ці частинки-переносники не підкоряються принципу заборони Паулі. Це означає, що обмеження для числа обмінюваних частинок відсутні, оскільки виникає сила взаємодії може бути великий:
Перша з них - гравітаційна сила, яка має універсальний характер. Будь-яка частка знаходиться під дією гравітаційної сили. Її величина залежить від маси або енергії частинки. Гравітаційна сила діє на великих відстанях і завжди виступає як сила тяжіння. Гравітаційні сили в порівнянні з іншими дуже слабкі. Вважається, що гравітаційна сила, що діє між двома частками, переноситься часткою зі спіном 2 (її називають гравітон). Гравітон власною масою не має, тому стерпна їм сила є дальнодействующей. Вважається, що Гравітон поширюються у вигляді гравітаційних хвиль, які поки зафіксувати не вдається внаслідок їх слабкої сили.
Друга сила - електромагнітна, що діє між електричними зарядженими частинками. Електромагнітні взаємодії значно сильніше гравітаційних. Існують два види електричного заряду - позитивний і негативний. Між двома позитивними або негативними зарядами діє сила відштовхування, між позитивним і негативним - сила тяжіння. У великих тілах електромагнітна сила слабка, оскільки в них позитивних і негативних зарядів майже однаково і вони компенсують один одного. У малих масштабах ситуація інша - в атомах і молекулах домінують електромагнітні сили.
Третій тип - слабка взаємодія, що відповідає за радіоактивність і існуюче між усіма частинками речовини зі спіном 1 / 2 - у ньому не беруть участь частки зі спіном 0, 1, 2 (фотони і Гравітон). В1967 р. А. Салам і С. Вайнберг розробили теорію, що об'єднує слабка взаємодія і електромагнітне (подібно об'єднанню Максвеллом електрики і магнетизму). (Трохи пізніше до них приєднався Ш. Глешоу.) Теорія передбачала, що частинки, абсолютно різні при низьких енергіях, при високих енергіях виявляються однієї і тієї ж часткою, але перебуває в різних станах.
Четвертий тип - сильний ядерна взаємодія, що утримує кварки всередині протона і нейтрона, а протони і нейтрони - всередині атомного ядра. Переносником цього типу взаємодії вважається частка зі спіном 1 - глюон. Глюони взаємодіють лише з глюонами і кварками.
Існує ідея об'єднати електромагнітну, слабку і сильну взаємодії в теорію великого об'єднання (насправді вона не настільки велика, оскільки не враховує гравітацію, але створення такої теорії стало б кроком на шляху до створення повної теорії об'єднання, яка охоплює всі чотири типи взаємодії - докладніше про концепції об'єднання фізики див. розділ 6). Ідея великого об'єднання полягає в наступному. Відомо, що сильні взаємодії при високих енергіях стають слабше, ніж при низьких. Електромагнітні ж і слабкі сили при високих енергіях ростуть. При якомусь дуже великому значенні енергії ці три сили могли б зрівнятися між собою і стати різновидами однієї сили - при цьому частки зі спіном 1 / 2 (кварки й електрони) перестали б різнитися. Перешкода на цьому шляху полягає в тому, що для прискорення частинок до такої енергії знадобився б прискорювач розміром з Сонячну систему.] Так що можливості експериментально перевірити теорію великого об'єднання немає. Однак можлива перевірка низькоенергетичних наслідків. Одне з таких наслідків - можливість розпаду протонів, складових більшу частину маси звичайної речовини на більш легкі частки (антиелектрони).
Такого роду експерименти, що дозволяють дати певні відомості про розпад протона, ускладнені. Однак, як вважає С. Хокінг, не виключено, що саме наше існування є наслідок зворотного процесу - процесу освіти протонів або кварків на самій початковій стадії, коли кварків не більше, ніж антикварков. Він вважає, що така картина почала Всесвіту виглядає найбільш природною. Адже земна речовина в основному складається з протонів і нейтронів, що складаються в свою чергу з кварків. У нашій Галактиці теж немає ні антипротонів, ні Антинейтрон (за винятком тих випадків, коли вони народжуються в зіткненнях частинки і античастинки при високих енергіях) - якби наша Галактика мала ділянки антиречовини, то на кордоні розділу речовини і антиречовини спостерігалося б випромінювання високої енергії внаслідок анігіляції. У межах однієї Галактики суміші речовини і антиречовини бути не може. Тому більш ймовірно припущення про те, що всі галактики складаються з кварків, а не з антикварков.
Але чому при утворенні Всесвіту кварків стало більше, ніж антикварков? Раніше вважалося, що закони фізики однакові для частинок і античастинок, тобто всі процеси в природі не змінюються (симетричні) при одночасному проведенні трьох перетворень: перехід від часток до античастинка (число заряду поєднання чи перетворення симетрії С), дзеркальному відображенні (просторова інверсія або перетворення симетрії Р) і заміні часу t на-t (звернення часу або перетворення симетрії Т).
в) Зв'язок принципів симетрії фізичної системи і законів збереження (теорема Е. Нетер)
Вважається, що фізичні теорії з початкового стану об'єкта визначає його поведінку в майбутньому. Принципи симетрії (інваріантності) носять загальний характер, тобто їм підпорядковуються всі фізичні теорії. Симетрія фізичних законів щодо деякого перетворення означає, що при здійсненні даного перетворення ці закони не змінюються. Саме тому принципи симетрії виявляється можливим встановлювати на підставі відомих фізичних законів. У 1918 р. Е. Нетер була сформульована теорема, що встановлює зв'язок між властивостями симетрії фізичної системи та законами збереження: якщо властивості системи не змінюються при будь-якому перетворенні змінних, то цьому відповідає збереження деякої фізичної величини - незалежності властивостей системи від вибору початку відліку часу відповідає закон збереження енергії. Однак, якщо теорія будь-якого фізичного явища ще не побудована, ті симетрії, які були відкриті на досвіді, мають для побудови теорії велике значення. Звідси цілком зрозуміла важливість експериментально встановлених симетрій сильно взаємодіючих елементарних часток - адронів, теорія яких ще не побудована.
У 1956 р. Г. Лі і Ч. Янг показали, що насправді закони фізики не зовсім однакові для частинок і античастинок. Виявилося, що слабкі взаємодії не підкоряються симетрії Р і симетрії С. Це означало, що в результаті слабкої взаємодії розвиток Всесвіту може бути іншим, ніж розвиток її дзеркального зображення, що Всесвіт, що складається з античастинок буде вести себе інакше, ніж наш Всесвіт, що складається з частинок. Була надія на те, що слабка взаємодія має все ж підкорятися комбінованої симетрії, тобто, інакше кажучи розвиток Всесвіту має відбуватися так, як і розвиток її дзеркального відображення, якщо, відбивши Всесвіт у дзеркалі, замінити кожну частку античастицей. Однак і ця надія звалилася, коли Д. Кронін і В. Фітч в 1964 р. виявили, що порушується і комбінована (З Р) симетрія. (С - заміна частки античастицей; Р - дзеркальне відображення, коли ліве і праве міняються місцями; Т - зміна напрямку руху всіх частинок на зворотне.) З Р Т - теорема стверджувала, що будь-яка теорія, що підкоряється принципам квантової механіки і теорії відносності, завжди повинна бути інваріантна щодо комбінованої симетрії З Р Т, тобто поведінка Всесвіту не зміниться, якщо частки замінити античастинками, відобразити все в дзеркалі і змінити напрямок часу на зворотне. Результати, які отримали Д. Кронін і В. Фітч, свідчили про те, що при заміні частки античастицей, здійсненні дзеркального відображення, але при збереженні колишнього напрямку часу, закони фізики повинні змінитися, тобто вони не будуть інваріантні щодо симетрії Т, отже, Всесвіт буде вести себе за цих умов інакше.
Архімед з'явився також основоположником і гідростатики, законів плаваючих тіл. Цьому був присвячений його праця "Про плаваючих тілах". Гідростатика використовувалася при визначенні щільності тел шляхом зважування їх у воді і при визначенні вантажопідйомності корабля. Логічна схема обгрунтування законів гідростатики відрізнялася від схеми обгрунтування закону важеля. Спочатку Архімед формулює припущення про внутрішню структуру рідини, а потім формулює ряд теоретичних наслідків, що випливають з цього припущення. Архімед виходить з того, що поверхня всякої нерухомо усталеною рідини буде мати форму кулі, центр якого збігається з центром Землі, і що рідина по своїй природі така, що з її частинок, розташованих на однаковому рівні і прилеглих один до одного, менш стиснуті виштовхуються більш здавленими і що кожна з її часток стискається рідиною, що знаходиться над нею по схилу, якщо тільки рідина не криється у якому-небудь посудині і не стискається ще чимось іншим. Наслідки з цієї гіпотези, що виводяться математично, такі:
- Тіло, равнотяжелое з рідиною, будучи опущено в цю рідину, занурюється так, що ніяка їхня частина не виступає над поверхнею рідини, і не буде рухатися вниз.
- Тіло, більш легке, ніж рідина, будучи опущено в цю рідину, не розчиняється повністю і деяка його частина залишається над поверхнею рідини.
- Тіло, більш легке, ніж рідина, будучи опущено в цю рідину, занурюється настільки, щоб об'єм рідини, відповідний зануреної частини тіла, мав вагу, рівний вазі всього тіла.
- Тіло, більш легке, ніж рідина, опущене в цю рідину силою, буде виштовхувати вгору з силою, рівною того вазі, на який рідина, що має рівний обсяг з тілом, буде важче цього тіла.
- Тіло, більш важкий, ніж рідина, опущене в цю рідину, буде поглиблюватися, поки не дійде до самого низу, і в рідини стане легше на величину ваги рідини в обсязі, рівному обсягу зануреного тіла.
У більш стислому вигляді закон Архімеда формулюється в наступному вигляді: на всяке тіло, занурене в рідину, діє виштовхуюча сила, спрямована вгору і рівна вазі витісненої ним рідини. Даний закон виявився справедливим і для газу. Одним з перших випадків практичного застосування даного закону була перевірка складу корони, виготовленої для сиракузського царя Гієрона. На основі того, що короною витіснялося більшу кількість води, ніж золотим злитком Архімед встановив, що корона складається не з чистого золота, а зі сплаву.
6. Оптика Евкліда і Птолемея
  В епоху античності в області оптики перш за все необхідно відмітити роботу по геометричній оптиці і перспективі. До їх числа відносяться "Оптика" і "Катоптрика" Евкліда (III ст. До н.е.). Евклід у галузі оптики спирався на розроблену атомістами концепцію зорових променів, згідно з якою від речей відокремлюються образи, що викликають в оці зорові відчуття. Він геометрично вивів закони перспективи з чотирнадцяти вихідних положень, які були результатом оптичних спостережень. Найбільш важливі з них:
- Промені, що виходять з ока, поширюються прямолінійно і розходяться в нескінченність.
- Постать, охоплювана сукупністю зорових променів, є конус, вершина якого розташована в оці, а основа - на поверхні видимих ​​предметів.
- Мабуть ті предмети, на які падають зорові промені, і невидимі ті, на які зорові промені не падають.
- Предмети, видимі під великими кутами, здаються більше, видимі під меншими кутами здаються менше, а видимі під рівними кутами здаються однаковими.
- Предмети, видимі під великими кутами. відрізняються більш чітко.
- Усі промені мають однаковою швидкістю.
- Промінь є пряма лінія, середні ділянки якої з'єднують кінці.
- Все, що мабуть, мабуть в прямолінійному напрямі.
Зорові промені розглядаються як лінії поширення світла. Евклідом вперше формулюється закон поширення світла, що є основою геометричної оптики. Архімед в концепцію "променів зору" ввів поправки, засновані на впливі величини зіниці на результат вимірювання. Герон Олександрійський чітко розрізняє оптику (вчення про бачення, про природу світла), Діоптріка (вчення про візуванні, візирних інструментах) і Катоптрика (вчення про відображення). Розглядаючи відображення світла від дзеркала він довів, що при рівності кута падіння та кута відображення сума довжин шляхів, які проходить падаючий промінь від ока до дзеркала і відбитий промінь від дзеркала до об'єкта, є найменшою відстанню з усіх можливих.
Найбільш повне дослідження заломлення світла здійснено Птолемеєм в його "Оптиці", де описані результати експериментування з заломлення світла у склі й воді, зведені у таблиці, які були дуже точні для свого часу. Він прагнув виявити причину того, що при відображенні кути падіння та відображення рівні, а при ламанні кути падіння нерівні кутах заломлення. Він порахував кут заломлення пропорційним куту падіння. Закон заломлення повинен був ще чекати свого відкриття Снеліусом в XVII столітті.
7. Роль фізичних концепцій античності
у розвитку фізики
Оцінюючи значення фізичних концепцій античності, важливо мати на увазі, що не всі з них дійшло до нас. Але й дійшла дозволяє зробити висновок про те, що коріння сучасної фізики йдуть в античну фізику. Античні фізичні концепції містили постановку багатьох фундаментальних фізичних проблем. визначили зміст фізичних досліджень протягом багатьох наступних століть. Багато фізичні концепції античності виявили свою "живучість". Так, арістотельская фізика зберігала свій вплив до середини XVII століття, фізичне вчення Платона - до середини XIX століття, атомістична концепція Демокріта і Епікура - до XX століття. Прийнято вважати, що фізика Нового часу в якості своєї значної частини містить фундаментально перероблені фізичні концепції античності. З приводу оцінки рівня розвитку фізичного експерименту за часів античності існують різні точки зору. Одна виходить з того, що цей рівень в цілому був завжди невисокий, інша, навпаки, визнає цей рівень досить високим, (відповідним зразкам експерименту Нового часу і обмеженого лише можливостями античної техніки), за втраченими з катастрофою античної цивілізації. В останньому випадку європейській науці рівень розвитку експерименту довелося відбудовувати. Звідси випливає, що роль теоретичних. фізичних концепцій та фізичного експерименту античності у розвитку європейської науки різні. В усякому разі, абсолютно очевидно, що в результаті ударів варварів постраждали перш за все ті досягнення античної культури і науки, які залежали від "широкої матеріальної організації".
При оцінці науки періоду античності все ж неможливо відволіктися від того соціокультурного контексту, в рамках якого вона розвивалася. Наука все-таки дійсна розвивалася переважно вельми заможними людьми, причому не для цілей безпосереднього практичного застосування - рабовласницький спосіб виробництва не міг не робити свого впливу на характер науки. Але головне значення античної культури в тому, що вона несла саму ідею природничих наук, яка пережила час політичної могутності античної цивілізації і яка справила найпотужніше вплив на характер розвитку європейської культури.

ФІЗИЧНІ КОНЦЕПЦІЇ

СЕРЕДНЬОВІЧЧЯ
1. Соціокультурні особливості розвитку науки в епоху середньовіччя
Внутрішні (непродуктивна рабська праця, презирство вільних громадян до праці, повстання рабів і т.д.) і зовнішні (навала варварів) причини призвели до розпаду Римська держава. Антична цивілізація загинула, багато культурних і наукові досягнення були втрачені. Організованою силою збереглася християнська церква, що зуміла швидко пристосуватися до змін. Становлення нового, феодального укладу багато в чому здійснювалося з опорою на християнство. Римська епоха мало що дала теоретичній науці, але вона лишила багатий досвід у військовому, технічному і адміністративній справі, який, на ряду з латинською грамотою, освоювався завойовниками. Поступово створювалися школи, коледжі, університети, що потрапили під вплив церкви. У монастирях виявилися зосередженими праці древніх авторів. Коледжі, монастирі й університети перетворювалися в центри нової західноєвропейської культури. У цей час на Близькому Сході на основі ісламу було створено на Аравійському півострові сильна арабська держава, швидко завоювало Іран, Єгипет, країни Середнього Сходу, південь Піринейського півострова. Оскільки основною задачею арабів було удосконалювання військової справи, збір данин і різноманітних податей, то виробництвом, торгівлею займалися представники корінних народів. І хоча арабська мова стала державною мовою, завойовники зберігали культуру завойованих народів. На арабську мову були переведені праці античних авторів. Стали створюватися університети в Кордові (755 р.), Багдаді (795 р.), Каїрі (972 р.). Для порівняння освіта університетів у Європі: у Монпельє (1180 р.) Вінченці (1205 р.), Ареццо (1215 р.), Падуї (1222 р.), Тулузі (1229 р.), Греноблі (1339 р.), Празі (1348 р.), Флоренції (1349 р.), Кракові (1368 р.). Важливо підкреслити, що вплив ісламу в арабських університетах був слабшим, ніж християнства в західно-європейських університетах. Таким чином, араби в VII-XI ст. були ланкою, що зв'язує східну і західну культуру. Багато праць античних авторів на латинську мову перекладалися з арабської мови. Той факт, що в якості мови культурного спілкування на Арабському Сході використовувалася жива розмовна мова, а не мертвий латинський (як у Європі), був важливим культурним чинником. Крім того, поширення серед арабів суфізму, що зобов'язував мусульман сповідати три обов'язкових догмата - віру в Аллаха, у його пророків і загробний суд, - давало більше свободи для вирішення проблем природознавства, завдяки чому на Арабському Сході могли розвиватися наукові уявлення, в основі яких лежало наукову спадщина античності. Почавшись з коментарів праць античних авторів (насамперед в галузі механіки й оптики), фізичні навчання набували самостійного виду. Найбільш значними фігурами серед арабських учених були Ібн Сіна, аль-Біруні і Ібн Рушд.
2. Основні фізичні цілі
середньовіччя
Аль-Біруні винайшов "конічний прилад", що дозволяв визначати щільність металів і інших речовин, причому з дуже високою точністю. (Внесок аль-Біруні у розвиток астрономії описаний в розділі "Концепції астрономії".)
Ібн Рушд, відомий у Європі під ім'ям Аверроес, даний коментар до "Фізики" Аристотеля. В античній механіці проблеми розходження між кінематикою і динамікою не існувало. В античній механіці математичного формулювання швидкості руху не було, тому що саме уявлення про можливість кількісної оцінки якісної визначеності відсутнє (Аристотель ці категорії вважав принципово різноманітними). Одні інтерпретатори Аристотеля думали, що рух треба розглядати лише як чисте переміщення. Ібн Рушд наполягав на необхідності описувати рух з урахуванням викликали його причин.
У області фізичних навчань Ібн Сіни (980-1037), якого в Європі називали Авіценною, пов'язане з проблемою руху кинутого тіла. По даній проблемі він розробив власну концепцію, суть якої полягає у визнанні того, що рухоме одержує схильність від рушія. За Ібн Синьо, існують три види схильностей: психічна (пов'язана з життям), природна і протиприродна (насильницька). Природна схильність властива вільно падаючим тілам. Протиприродна схильність (або прикладена сила) властива протиприродно рухаються тіл, причому її дія залежить об величини ваги тіла, якому вона повідомлена. Ібн Сіна стверджував, що протиприродна схильність відчувається як опір насильницькій спробі зупинити природний рух або перекласти один вид протиприродного руху в інший. Якщо насильницьке рух снаряда викликано діючій в пустоті силі, то воно повинно силою, то воно повинно зберігатися, не знищуючись і не перериваючись. Якщо ж сила існує в тілі, то вона повинна або залишатися в ньому, або зникнути. Але якщо вона залишається, то рух буде продовжуватися безупинно. Визнання дії залежності протиприродної схильності від розміру ваги тіла, якому вона повідомлена, було кроком до кількісної оцінки схильності. Аристотелевские уявлення про роль повітря в передачі руху Ібн Сіною були відкинуті. Таким чином, Ібн Сіна вважав, що в тілі може бути тільки одна "схильність". Століттям пізніше аль-Баркат стверджував можливість одночасного існування в одному тілі різних "схильностей" - при вільному падінні важкого тіла джерело природної схильності знаходиться в самому тілі і тому може безупинно діяти, поки тіло не досягне свого природного місця.
У XIII столітті до аналізу даної проблеми звернувся Хома Аквінський, який заперечував можливість передачі тілу самостійної спроможності руху. У. Окхем проблему кинутого тіла звів до чисто кінематичної задачі, знімаючи питання про джерело руху, а Ж. Буридан, виявивши протиріччя арістотельской трактування проблеми, формує фізичне уявлення про залежність напору від швидкості переміщення і "кількості матерії", укладеного в рухомому тілі, солідаризировавшись з концепцією аль-Барката.
Досягнення в галузі оптики епохи середньовіччя пов'язані насамперед з іменами аль-Хайсама, відомого в Європі як Альхазен. Він створив капітальну працю "Скарб оптики", що зробив великий вплив на розвиток цієї галузі фізики. Він уперше дав анатомічний опис ока і розробив концепцію, відповідно до якої зір викликається променями, що приходять в око від об'єктів, а зображення формується усередині кришталика колись, чим досягне оптичного нерва. Розглядаючи світло як потік частинок, Альхазен відображення світла трактує як механічне явище. Встановивши, що нормаль до поверхні дзеркала, що падає й відбитий промені знаходяться в одній площині, він удосконалив формулювання закону відображення. У Західній Європі оптичні дослідження починаються в XIII столітті. Р. Гросетет розробляє геометричну теорію походження райдуги як ефекту переломлення світла в краплях води і концепцію прямолінійного поширення світла і звука на основі уявлення їх як хвиль - відбиток світла розглядалося за аналогією з луною. Безсумнівним досягненням було і винахід у XIII столітті очок, але воно не грунтувалося на яких-небудь теоретичних розробках. До досягнень варто віднести і дослідження магнетизму П. де Марікура (Перегрина), який висловив думку про те, що стрілка компаса повертається не до Полярної зірки (як думали древні китайці), а до полюса.
При оцінці результатів розвитку фізичних уявлень в епоху середньовіччя більшість істориків науки виходить із того, що за цей час ні в одній з галузей фізики не було розроблено жодної послідовної фізичної теорії, ні ефективних експеріментних методів. Теоретичні побудови відрізнялися абстрактністю. Технічні досягнення не грунтувалися на теоретичних розробках, теорія і практика роз'єднані. Нова фізика існувала лише в потенції - в окремих, не завжди чітких догадках, ідеях. Але релігійні забобони (як християнства, так і ісламу) не дає можливості їм розкритися. Розумова діяльність залишається ще підпорядкованої релігійним догматам. У фізиці були відсутні розвиті кількісні оцінки. Проте розвиток ділового життя потребувало якісних розрахунків усе більше і більше. Феодальна система господарства виявляла ознаки розкладання. Зарождавшиеся нові економічні відносини сприяли технічному прогресу головним чином за рахунок раціоналізації праці. Повільне, але поступово прискорене розвиток техніки і наукових запитів готував грунт для виникнення нової суспільно-економічної формації. Можна сказати. що наука розвивалася слідом за розвитком капіталізму зароджується, посилюючи свій вплив на цей процес.
ФІЗИЧНІ КОНЦЕПЦІЇ ЕПОХИ
ВІДРОДЖЕННЯ
1. Вплив потреб практики та інженерії на розвиток фізики
Розвиток нових суспільних відносин в XV-XVI ст. супроводжувалося посиленням інтересу до експериментального і математичного природознавства. Зміни в технічних прийомах випереджало їх теоретичне осмислення. У XVI столітті винаходяться гідравлічні насоси, греблі, прес для карбування монет, в'язальні машина і т.д. Ці технічні винаходи демонстрували, з одного боку, роль інженерії, а з іншого - ставили перед природознавством нові проблеми, що вимагали фізичного експерименту (проблема тертя в машинах, проблема надійності інженерних споруд і т.д.). Таким чином, матеріальні потреби капіталістичного економічного розвитку вели до вдосконалення технічних прийомів (в гірському і військовій справі, мореплаванні і т.д.). Це обумовлювало використання нових матеріалів і процесів, що, у свою чергу ставило проблеми, які існувала раніше наука дозволити не могла. Розвивалося мореплавання розсовувало горизонт колишнього досвіду і посилювало потреба в його розширенні та збагаченні. Поєднання соціально-економічних і технічних факторів викликало зрушення у свідомості, посилювало потреба у виробленні нової філософії, що заперечувала роль авторитету (як релігійних доктрин, так і античних навчань) і стверджувала пріоритет наукового доведення. Під впливом змін, що відбуваються схоластика поступово здає свої позиції, йде процес накопичення знань про властивості реальних об'єктів. У рамках фізичного знання найбільший розвиток отримують механіка і оптика.
2. Експериментальні фізичні дослідження Леонардо да Вінчі
  Експериментальні дослідження даного часу в значній мірі зв'язуються з ім'ям Леонардо да Вінчі. Дослідники його творчості вважають, що нічого істотно нового у розвиток теоретичної механіки він не вніс. Його сила полягала в різноманітній експериментальної діяльності. При цьому важливі виявлялися не стільки результати експериментів, скільки сама націленість на експеримент як головне джерело знання і техніку постановки експерименту. Важливі експерименти були поставлені їм з проблем падіння тіл, впливу руху тіла на силу удару, випробуванню на розрив, тертя тел. В області дослідження тертя між твердими поверхнями йому належить заслуга виведення з поставлених ним експериментів закону тертя, говорить: "Кожен важким тілом перемагається опір тертя вазі, рівне четвертої частини цієї ваги". Відкриття цього закону було важливим внеском у розвиток експериментальної механіки. Історики науки цілком справедливо схильні важливість відкриття цього закону вбачати насамперед у тому, що вперше закон був відкритий в результаті фізичного експерименту - і в цьому сенсі Леонардо значно випереджав свій час не стільки результатами дослідження, скільки розумінням завдань, що виникали під впливом бурхливого розвитку техніки. Сама постановка подібних експериментів, що демонструвала їхні величезні можливості, стимулювала інтерес до експериментальної фізики.
Протиставивши схоластиці дослідне знання, Леонардо, таким чином, заклав основи експериментального методу природознавства, що відкриває широкі перспективи для використання математики. "Мудрість є справа досвіду" і "Немає достовірності в науках, що не використовують математики" - ці проголошені ним принципи є двома сторонами його методу. І в цьому сенсі Леонардо справедливо розглядається як попередник сучасного природознавства.
Використання свого методу дозволило Леонардо сформулювати важливі положення. Арістотельская фізика виходила з того, що рух для свого збереження потребує сили. Леонардо в противагу цьому свідчить, що всяке рух прагне до свого збереження, тобто рухоме тіло рухається до тих пір, поки в ньому зберігається сила його руху. Це твердження вже означало істотне просування в розумінні природи руху від арістотельскіх положень до відкриття закону інерції - Леонардо встановлює факт існування інерції, інерційного руху. Причиною руху є сила, причиною сили виступає рух. Сила народжується при раптовому збільшенні тіла (так при пострілі з гармати виштовхується ядро), а також шляхом скручування і згинання тел всупереч їх природного стану (на цьому засновано рух баллісти, лука). На думку академіка С.І. Вавілова, Леонардо є зачинателем фотометрії як точкою вимірювальної науки. Численні досвідчені спостереження Леонардо мали принципово важливе значення для наступних теоретичних розробок (принцип суперпозиції, телескопічний ефект і т.д.), але вони не були використані повною мірою його сучасниками. Той факт, що його записи велися зашифрованим способом, а також те, що в рамках потреб практики того часу чимало його задумів не могли бути реалізовані, визначили незатребуваність його ідей. Дж.Бернал охарактеризував долю ідей Леонардо: "Вивчення незліченної безлічі механічних апаратів, запропонованих і змальованих Леонардо, починаючи від прокатних станів до рухливих землерийних машин, розкриває інший аспект трагедії його генія. Він міг винаходити машини мало не для будь-якої мети і малювати їх незрівнянно добре, проте майже жодна з них і ні одна з найбільш важливих не змогла б працювати, навіть якщо б він зумів знайти достатньо грошей, щоб їх зробити. Без кількісного знання статики та динаміки, без використання первинного двигуна начебто парової машини інженер епохи Відродження фактично не міг навіть вийти за межі, встановлені традиційною практикою. Заслуга його полягає не стільки в тому, що він зробив для розвитку машин, скільки у вселенні освіченій світу ідеї про те, що дії природи можуть бути пояснені за допомогою механіки. "
3. Вплив геліоцентричної концепції Н. Коперника на розвиток фізики
  Дослідження в області механіки в епоху Відродження були пов'язані насамперед з астрономією. Справа в тому, що неможливо розвивати механіку без урахування закономірностей руху небесних світил, постійно повторювалися століттями в астрономічних спостереженнях, і в тому, що розвивати астрономію поза механіки руху цих небесних світил було не можна. Саме астрономії судилося здійснити переворот в античному стилі мислення. І цей переворот був здійснений Н. Коперником, які поставили проблему відповідності між сутністю руху та його сприйняттям. В основу вирішення проблеми він проклав теза, яка в даний час називають "принципом відносності сприйняття". Суть його полягає в тому, що всяке видима зміна положення відбувається внаслідок руху або спостережуваного предмета, або спостерігача, або внаслідок неоднакового переміщення їх обох (оскільки при рівному переміщенні спостережуваного і спостерігача в одну сторону рух буде непомітно). Описова астрономія до цього часу накопичила достатньо спостережень і мала у своєму розпорядженні досить точними математичними методами, що дозволяють перевіряти гіпотези за допомогою обчислень.
Основний задум Коперника полягав у тому, щоб побудувати механічну модель Сонячної системи, що узгоджується зі спостереженнями і дає цілісне уявлення про Всесвіт. Оскільки рух Землі на видимій картині сфери нерухомих зірок ніяк не відбивалося, Коперник представив, що дана сфера порівняно з розмірами орбіти Землі нескінченно велика - Земля відноситься до Всесвіту як атом до тіла. Ситуацію з уявленість обертання Всесвіту навколо Землі для спостерігача, що знаходиться на Землі, він порівнює з аналогічною ситуацією, коли спостерігачеві, що знаходиться на кораблі, здається, що він знаходиться в стані спокою, а всі, хто поза кораблем рухається.
Таким чином, критичний дух, внесений Коперником у астрономію, дозволив йому відкинути точку зору здорового глузду але те, що здавалося само собою зрозумілим, а саме той факт, що Земля нерухома, а навколо неї рухаються небесні світила. У його праці "Про обертання небесних сфер" висловлена ​​думка про необхідність відрізняти гіпотези, що відображають справжню дійсність, від помилкових гіпотез. Саме це дозволило Копернику не тільки обгрунтувати геліоцентричну систему, але і науковий метод побудови та перевірки гіпотез. (Про астрономічному сенсі системи Коперника див. розділ "Концепції астрономії").
Геліоцентрична концепція Коперника стала важливою науково-дослідною програмою, яка поставила цілий ряд проблем. Перш за все виявилася необхідність перевірити дану концепцію на предмет її відповідності фактам, тобто треба було встановити відповідність результатів спостереження тим положенням, які висувала концепція. Для цього треба було мати вдосконалену спостережну і обчислювальну техніку - її треба було створювати, бо традиційні спостереження неозброєним оком за допомогою візирів, кутомірів невисокої точності і т.д. і звичайна арифметична техніка (без десяткових дробів і логарифмів) не відповідали цьому завданню. Крім того, необхідно було виявити фізичні причини руху небесних тіл. Традиційна статика рішення цього завдання не забезпечувала, тому виникла потреба у розвитку динаміки та відповідного математичного апарату. Треба було також спростувати висувалися проти геліоцентричної концепції заперечення, особливо заперечення проти обертання Землі (у числі її ворогів були Ф. Бекон, Тихо Браге). Але перш за все важливо було забезпечити міцне входження даної концепції в науку, чому опиралася церква. Цьому значною мірою сприяв Д. Бруно. У своїх діалогах "Бенкет на попелі" і "Про нескінченність Всесвіту в світах" середньовічним уявленням про кінцеву Всесвіту він протиставив концепцію нескінченного Всесвіту.
Коперник дотримувався арістотелівської концепції щодо відмінності "природного" руху Землі і насильницьких "рухів на її поверхні. Бруно виходить з того, що не існує розподілу рухів на" природні "і" насильницькі "- все що знаходяться на Землі тіла належать до однієї механічної системи, все вони рухаються разом із Землею. В іншому випадку було б неможливо, наприклад, підстрибнути і після цього повернутися на колишнє місце. аристотелевские фізичні заперечення проти існування порожнечі також були відкинуті Бруно - він виходив з того, що рух у нескінченному порожньому космосі не має ніяких перешкод . У силу нескінченності космосу, за Бруно, у нього не може бути центра, центром може бути визнана будь-яка точка космосу.
Укладаючи короткий огляд розвитку фізичних концепцій епохи Відродження, можна сказати, що в цей час була розгромлена аристотелівська фізична картина світу, поставлено завдання вироблення відображає реальні властивості дійсності фізичної концепції, а потреби технічного прогресу призвели до створення основ фізичного експерименту.
ФІЗИЧНІ КОНЦЕПЦІЇ XII - XVIII ВВ.
1. Особливості періоду початку Нового
часу
З XVII століття починається Новий час. Філософія Відродження підготувала новий тип філософствування, який відкидав схоластику, теоцентрістскіе побудови, які перестали задовольняти вимогам пояснення нових соціальних реалій.
У XVII столітті зміцнився капіталістичний спосіб виробництва. Розвиток економіки вимагало розрахунків національного доходу, індивідуальних доходів, чисельності народжуваності і смертності і т.д. Підприємницький розрахунок стає нормою повсякденного життя. Його основа - кількісна оцінка. Розрахунок, кількісна оцінка впливають на людські відносини, проникають в усі сфери людської практики.
Університетська наука, захоплена проблемами античності і зайнялася відверненими від практичних потреб питаннями, виявилася свого роду "закритою системою", ізолювати себе від реальних потреб суспільства. Тому розвиток природознавства в цей час здійснювалося переважно поза університетської науки. Особливість цього періоду характеризувалася наступним чином: "Незадоволеність технічної інтелігенції станом університетської науки мала цілком реальні практичні підстави, - вона була продиктована життєво необхідною потребою. Незважаючи на те, що виробництво було в основному" мануфактурним ", в практику будівельної справи, транспорту, військової справи і деяких видів виробництва увійшли нові пристрої, машини і пристосування. Розробка технологічних правил і нових конструкцій спиралася, як і колись, на пробні виробничі експерименти. Але тепер вони стосувалися вже не тих простих машин, на яких будувалася техніка Середньовіччя, навпаки, ці досліди ставилися до цілих версій сайту нових механічних і гідравлічних пристроїв. Варіювання умов і аналіз результатів пробного досвіду стали набагато більш складними, менш наочними і важче доступним для огляду. Виробничникам, інженерам, конструкторам потрібні керівні наукові вказівки, щоб краще і швидше розібратися в результатах пробних технічних експериментів. Але подальше удосконалення техніки і підвищення якості виробів упиралися в головне протиріччя епохи - протиріччя між порівняно високим рівнем досягнутих до цього часу технологічних знань і різким відставанням від них багатьох галузей природознавства і особливо фізики ".
Безсумнівно, що виникнення інтересу до дослідного природознавства багато в чому зобов'язана Ф. Бекону. Разом з тим в умовах відставання теоретичного природознавства від практичних успіхів техніки важливо було наукове узагальнення результатів технічного досвіду. Перш за все виникла необхідність в удосконаленні методів вимірювання і технологічних прийомів створення фізичних апаратів. Накопичений досвід у машинобудуванні мав важливе значення і його можна було використовувати. Ситуація ж в області теоретичної фізики була іншою. Фізика в цей час могла пропонувати різного роду теоретичні гіпотези якісного характеру. Способи ж формулювань теоретичних завдань в математичній формі, що дозволяли здійснювати розрахунки з науковим ступенем точності, були відсутні. Якісні гіпотези не могли бути покладені в основу технологічних процесів або конструктивних розробок. У цих умовах розрив між більш високим рівнем експериментальним фізики і більш низьким рівнем фізичних теорій міг бути ліквідований за допомогою експериментальної науки. (Метод теоретичної фізики буде створений Ньютоном пізніше, наприкінці XVII століття). У цьому руслі і проявилася методологія Бекона, орієнтована на постановку експериментів, сприяють відкриттю нових законів. Принцип кількісного виміру в експериментальних дослідженнях стає основою природознавства. Це знаходить своє вираження у винаході різноманітних вимірювальних приладів - хронометрів, біометрії, термометрів, ваг і т.д. Таким чином, слідом за машинобудівної галуззю виникає приладобудівна. Потреби практики, що збільшилися з створенням торгових і промислових компаній, ставлять питання про необхідність підвищення ефективності фізичних досліджень. Для цього була важлива організаційна та матеріальна підтримка науки. Створюються "Академія досвіду" у Флоренції (1657 р.), Лондонське Королівське товариство (1662 р.), Королівська Академія наук у Парижі (1666 р.), Берлінська академія (1672 р.). У цих умовах потреба в методі побудови фізичних теорій стала відчуватися ще гостріше. Бекон виходив з того, що критеріями правильної фізичної теорії повинні виступати застосовність теорії на практиці, а також сприяння розвитку самої науки, принижуючи при цьому роль математики. Декарт, навпаки, зразком вважає не експериментальну фізику з її індуктивним методом, а математику. Критерієм достовірності фізичної теорії, але Декарту, є його відповідність дедуктивно отриманим висновків, її внутрішня логічна послідовність. Декарт вважав, що бог може здійснювати фізичне явище незліченною кількістю способів. Це зумовило його подання про безліч варіантів теорій. (У цьому руслі їм була висунута довільна теорія вихорів, що утримують планети на своїх орбітах - див. розділ "Концепції астрономії".)
Важливо відзначити визнання Декартом можливої ​​неоднозначності фізичної теорії, що стало наслідком пізнання, яким способом бог реалізував дане фізичне явище. Інакше кажучи, відповідна дедуктивним висновків теорія виявляється лише найбільш вірогідною з числа можливих.
Іншу позицію займав Ньютон. Для нього було важливо однозначно з'ясувати за допомогою експериментів і спостережень властивості досліджуваного об'єкта і будувати теорію на основі індукції без використання гіпотез. Він виходив з того, що у фізиці як експериментальної науки місця для гіпотез немає. Визнаючи небездоганності індуктивного методу, він вважав його серед інших найкращим.
Спільним для Декарта, Ньютона та інших дослідників природи цього часу було використання теологічних аргументів. (Не випадково Ньютона іноді називає не тільки першим вченим, а й останнім богословом.) Завдання природознавства вбачалася у виявленні божественного плану творіння природи. У цьому полягала специфіка розвитку природознавства XVII століття. Оскільки фізика XVII століття за необхідності вступала у протиріччя з церковними догматами, церква, що відстоювала свою позицію відмінності небесної і земної фізики, не могла залишитися до цього байдуже. Галілей був підданий церковним репресіям за "Діалог про дві найголовніші системи світу, птолемеевой і коперниковой", метою яких було прагнення припинити розповсюдження коперніканським ідей. Для Італії, що виступала в числі лідерів наукового прогресу, це мало негативні наслідки - розвиток фізичних ідей було загальмоване. В Англії ситуація склалася інша. Р. Бойль обгрунтував концепцію, згідно з якою природознавство виступає опорою релігії, завдяки чому церковну реакцію вдавалося стримати. У цілому ж природознавство XVII століття, яка відмовилася від аристотелевских концепцій, поєднує в собі опору на експеримент, кількісний вимір досліджуваних явищ з аргументами теологічного характеру.
2. Механіка Г. Галілея і початок критики арістотелівської фізики
Якщо початком періоду торжества нового, експериментального підходу в природознавстві прийнято вважати геліоцентричну концепцію Коперника, вчення про електрику і Землю як про великий магніті У. Гільберта (1600 р.) та відкриття У. Гарвея кровообігу (1628 р.), то завершенням цього періоду - затвердження коперніканської системи завдяки внеску Г. Галілея. Геліоцентричної концепції Коперника знадобився час для свого твердження. Боротьба за її утвердження для Бруно закінчилася сумно, та й однієї демонстрації впевненості в її істинності було мало - необхідні були серйозні аргументи. Справа в тому, що в первісному вигляді геліоцентрична концепція Коперника не містила точного опису орбіт планет і переконливих аргументів для пояснення невоспрінімаемості органами почуттів руху Землі.
Перше завдання було вирішено Тихо Браге і Іоганн Кеплер (див. розділ "Концепції астрономії"), друга, пов'язана зі створенням динаміки, - Галілео Галілеєм. Непридатність арістотелівської парадигми розумів вже Леонардо да Вінчі, який виступив проти вчення про протилежність земного і небесного. Але його роботи залишилися не опублікованими. Д. Бруно зробив висновки філософського характеру з вчення М. Коперника, а І. Кеплер систему Коперника привів у відповідність з новітніми астрономічними даними. Перед Галілеєм постало завдання обгрунтувати концепцію Коперника фізично. Використання телескопа дозволило Галілею виявити невідповідність спостерігається картини арістотелівської концепції. Відкриття супутників Юпітера дозволило йому наочно продемонструвати модель коперниковской системи та затвердити перевагу спостереження над умоглядними побудовами.
Проте твердження переваги методу спостереження над умоглядними аргументами для затвердження системи Коперника було недостатньо. Важливо було пояснити, чому обертання Землі не супроводжується ураганним вітром, спрямованим в протилежну руху Землі сторону, а також чому підкинуті вгору тіла не залишаються позаду. Для відповіді на ці питання потрібно вивчення вільного руху тіл. Дана проблема мала важливе і практичне рух, оскільки була пов'язана з рухом ядер при стрільбі з гармат і взагалі рухом метальних снарядів. Існували теоріям, пояснював це рух, бракувало математичного обгрунтування. У "Діалогах про двох нових науках" Галілей дав математичний опис руху тіл (робота була опублікована вже після засудження Галілея за його "Діалог про дві найголовніші системи світу"). Галілей, відкинув попередні погляди на пояснення руху тіл, звернувся до експерименту як методу дослідження. Для проведення вимірювань падіння тіл він використовував маятник і похилу площину, а також скидання тіл з Пізанської вежі.
Аристотелівська фізика визнавала природні і насильницькі руху. Оскільки рух нашої планети відносилося до природного виду руху, то виявилася суперечність між аристотелевским розумінням природного руху як викликається прагненням тіла зайняти своє "природне місце", з одного боку, і рухом планети навколо Сонця по замкнутих траєкторіях. Тому перш за все було необхідно дослідити природу "природного руху", тобто падіння тіл. Ця проблема досліджувалася фізиками і до Галілея, але ніхто з них не міг встановити величину швидкості падіння тіл в одиницю часу. Галілей зрозумів, що встановити це можна лише в експерименті. Але необхідно було знайти спосіб зменшити швидкість руху падаючого тіла без спотворення умов вільного падіння. Галілей використовував у цих цілях рух по похилій площині. Проведення багаторазових експериментів з рухом тіл по похилій площині, а також за допомогою маятника дозволило Галілею сформулювати закон: закони вільного падіння і руху тіл по похилій площині і показати помилковість уявлень Арістотеля про природний і насильницькому падінні. Аристотель стверджував, що рухається тіло зупиняється, якщо сила, його штовхає, припиняє свою дію. Галілей встановив, що якщо на тіло не діють ніякі сили, то воно спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно. Таким чином, Галілей показав помилковість уявлень Арістотеля про природний і насильницькому русі.
Розглядаючи рух тіла по похилій площині, Галілей робить важливий крок у виробленні уявлень про інерції - однієї з найважливіших ідей механіки. Хоча йому і не вдалося дати повну і точну формулювання закону інерції, він виявив здатність тел зберігати свою швидкість. Використання закону інерції в своїх експериментах дозволило Галілею сформулювати ідею відносності руху і обгрунтувати систему Коперника. Якщо кинути з вежі кулю, то він внаслідок сили інерції буде рухатися разом з вежею і впаде біля її підніжжя. При русі Землі немає вихору, тому що атмосфера рухається разом з Землею. Звідси випливало, що в механічному експерименті не можна виявити, рухається система рівномірно і прямолінійно чи спочиває - руху в тій і іншій системах здійснюються однаково. Для обгрунтування динаміки найважливіше значення мало встановлення незалежності прискорення вільного падіння від маси тіла (Арістотель, як відомо, вважав, що швидкість падіння тіла пропорційна його масі). Якщо знехтувати опором повітря, то, як виявив Галілей, швидкість падіння всіх тіл однакова і пропорційна часу падіння, а пройдений у вільному падінні тілом шлях пропорційний квадрату часу. Крім законів рівноприскореного руху Галілей відкрив і закон незалежності швидкості падіння від повідомленої тілу при киданні горизонтальної швидкості. Сила тяжіння, діючи на що у стані спокою тіло, в першу секунду падіння тіла надає йому швидкість в 9, 8 м / с, у наступну секунду збільшить швидкість на ту ж величину - швидкість падіння пропорційна часу падіння.
Математичне опис експериментів, здійснене Галілеєм, мало для розвитку природознавства дуже важливе значення. З'єднання експерименту і точного математичного аналізу дало можливість вирішити завдання вільного падіння тіл, показавши, що у повітряному просторі тіла в падінні рухалися б по параболічної траєкторії. Цим було задано певний зразок методу фізики, який багато в чому визначив в наступному розвиток фізики. Галілей заклав основи сучасної механіки. Їм була чітко виражена думка, що єдиними властивостями дійсності, які можна описати математично, є протяжність, положення і щільність. Ця думка за своєю суттю була програмою відомості експериментальних досліджень до таких первинним якостям, як розмір, форма, кількість і рух.
Для того, щоб експериментально-математичний метод набув загальне покликання, Галілею необхідно було знищити вчення Птолемея про систему небесних сфер і аристотелевську фізичну парадигму, що панувала майже два тисячоліття в якості основи природознавства та суспільствознавства. Саме це завдання і переслідував його "Діалог про дві найголовніші системи світу - птолемеевой і коперниковой". Саме це і викликало його конфлікт з церквою, оскільки нові ідеї погрожували засадам церковного вчення і громадського порядку. В основі конфлікту лежало протиріччя науки і догм релігії. Засудження Галілея і його вимушена згода відмовитися від свого вчення привернуло увагу дослідників природи до усвідомлення суті конфлікту і сприяло становленню нової експериментальної науки і поширенню коперниканское навчання. Через всього менше півстоліття Ньютон у своїй теорії всесвітнього тяжіння об'єднає закони, встановлені Кеплером і Галілеєм.
3. Антіперіпатетіческій характер експериментальних фізичних концепцій Нового часу
Галілей, підготувавши грунт для фундаменту динаміки, визначив програму подальших досліджень, але ще в загальних рисах. Продовжувачем його робіт був Е. Торрічеллі. Він поширив ідеї Галілея на теорію руху рідин і вивів формулу, за допомогою якої визначається швидкість витікання рідини з посудини через отвір в його стінці, заклавши тим самим основи гідродинаміки. Але головне його досягнення - відкриття атмосферного тиску. Ще Галілей знав про спостереження флорентійських водопроводніков, що вода піднімається не вище певної висоти. Торрічеллі припустив, що повітря чинить на неї певний тиск, який і спробував виміряти. З цією метою була використана закрита з одного кінця трубка, заповнена ртуттю. Коли її вільним кінцем опустили у воду, то рівень ртуті в ній знизився, а над поверхнею ртуті утворилася порожнеча. Походження цієї "торрічелевой порожнечі" було пояснено наступним чином: тиск на поверхню ртуті в чашці врівноважується вагою стовпа ртуті в трубці. Висота цього стовпа над рівнем моря склала 760 мм. Так був винайдений барометр. Так звалилася ще одна перипатетической догма - про "острах порожнечі". Декарт запропонував, а Б. Паскаль реалізував ідею вимірювання атмосферного тиску на різних висотах - у результаті була встановлена ​​залежність висоти ртутного стовпа від висоти місця вимірювання і від стану погоди. Це означало народження наукової метеорології. О. Геріке своїми дослідами з "магдебурзькими півкулями" підтвердив існування атмосферного тиску. Паскаль сформував основний закон гідростатики; відомий як закон Паскаля: тиск на поверхню рідини, вироблене зовнішніми силами, передається рідиною однаково в усіх напрямках. На ньому заснована дія гідравлічного преса. Паскалем був відкритий також закон сполучених посудин.
До успіхів у розвитку експериментальної фізики XVII століття з повним підставою можуть бути віднесені дослідження в галузі електрики і магнетизму У. Гільберта. Припустивши, що Земля є магнітом, він вперше пояснив поведінку магнітної стрілки компаса впливом його полюсів. Їм було введено у фізику поняття електрики (електричними тілами він назвав предмети, подібні бурштину, які здатні після натирання притягувати до себе легкі предмети), поклавши початок вивчення електричних явищ.
Роберт Бойль спростував думку прихильників арістотельской фізики про те, що в трубці Торрічеллі ртуть утримується невидимими нитками, встановивши в 1662г. один з газових законів: добуток обсягу даної маси ідеального газу на його тиск постійно при постійній температурі (пізніше цей закон незалежно від Бойля встановив Маріотт, тому даний закон носить назву закону Бойля-Маріотта). Бойль відкинув перипатетической уявлення про колір як про специфічний як тіла, пояснивши його кількістю відбитого світла. О. Геріке створив першу електричну машину у вигляді кулі з сірки, що обертався на залізниці осі, виявив явища електричного відштовхування і електричних розрядів. Х. Гюйгенс винайшов маятниковий годинник із спусковим механізмом, манометр для вимірювання низьких тисків встановив закони коливання маятника, створив хвильову теорію світла, заклав основи теорії удару. В "Трактаті про світло" ім сформульований принцип поширення хвилі, відомий як принцип Гюйгенса-Френеля, який свідчить: кожна точка простору, якої досягла в даний момент хвиля, що поширюється, стає джерелом елементарних сферичних хвиль. На основі цього принципу були введені закони відбиття і заломлення світла. Гюйгенс перший встановив явище поляризації світла. Їм було встановлено, що доцентровий прискорення пропорційно квадрату швидкості і назад пропорційно радіусу кола, що сприяло розробці ньютонівської теорії руху тіл.
4. Особливості картезіанської фізики
Вельми значна роль у розвитку природознавстві (і фізики зокрема) XVII століття належить Р. Декарту, який висловив закон збереження кількості руху і дав поняття імпульсу сили (див. також розділ "Концепції астрономії" - про теорію вихорів). Проблеми фізики посіли значне місце в його "Началах філософії". Оскільки досвід прямих нападок на релігійні догми в цей час був дуже сумним (спалення Бруно і Сервета), Декарт постарався зайняти позицію, яка дозволяла ухилитися від конфлікту з церквою і тим самим забезпечити можливість розвиватися науці протягом кількох століть. Він дуже точно сформулював поділ Всесвіту на фізичну і моральну частини. Такий поділ було наслідком відомості їм чуттєвого досвіду до механіки та геометрії. Слідом за Галілеєм Декарт єдиними фізичними реальностями вважав протяжність і рух (розуміється як механічне переміщення), які розглядав як первинні якостей. До вторинних якостям він відніс колір, смак, запах. За їхніми межами перебувала область пристрастей, волі, любові, віри. Фізика займається, головним чином, первинними якостями, які можна виміряти. Вторинними якостями фізика займається в меншій мірі. Треті ж якості відносяться до сфери одкровення, тому наука ними не займається. Живий організм представлявся Декартом у вигляді машини, механізму, керованим відповідно з фізичними принципами, з одного боку, і розумом, волею - з іншого. Подібне розділення дало можливість ученим проводити дослідження, не втручатися у справи релігії і, отже, не вступаючи в конфлікт з церквою. Більш того, система Декарта дозволяла доводити буття бога не менш переконливо, ніж попередні способи докази: його теза "Я мислю, отже існую" дозволяв зробити висновок про те, що раз люди можуть уявити собі істота більш досконале, ніж вони самі, то воно повинно існувати.
Декарт сформулював три закони природи:
1. Будь-яка річ знаходиться в одному і тому ж стані, поки інші речі не змусять її змінити такий стан.
2. Будь-яке рухоме тіло прагнути продовжувати свій рух по прямій.
3. Якщо рухоме тіло зустріне інше, сильне тіло, воно нічого не втрачає в своєму русі, коли ж воно зустріне слабка, яке може посунути, воно втрачає стільки, скільки того повідомляє.
Легко бачити, що ці закони по суті є суто експериментальними. Система Декарта стала сумішшю висновків, що спираються на експеримент, з дедуктивними висновками, заснованими на зовсім ясних першооснову (чого вимагав метод Декарта). Мети, до яких прагнули Бекон і Декарт, були загальними - зробити людину паном природи. І той, і інший підняли авторитет експериментальної науки, що витіснили схоластику. Декарт стверджував, що в природі існує певна кількість руху, яке ніколи не зростає і не зменшується. Так як матерія, в уявленнях Декарта, однорідна і характеризується тільки властивістю протяжності, то поняття кількості матерії виявляється практично тотожним поняттю об'єму тіла. При аналізі зіткнень тел Декарт користувався поняттям сили, яка залежала від величини тіла, в яке укладена, від швидкості руху і способу зіткнення тел. Тут міститься формулювання закону збереження імпульсу та закону інерції, хоча поняття імпульсу ще досить розмито і виступає як скалярна величина. Декарт, на відміну від Ньютона, говорить про стан взагалі, а не про стан рівномірного і прямолінійного руху. Важливо, що, по Декарту, інерція тіла залежить від його швидкості. Важливо і те, що фізика Декарта не визнавала сил, що діють через порожнечу на відстані. У ній існували лише взаємодії дотичних тіл.
5. Розробка основ класичної фізики
а) Фізична концепція І. Ньютона як підсумок розвитку дослідного природознавства
Основним досягненням фізичних досліджень XVII ст., Що підводять підсумок розвитку дослідного природознавства і остаточно розтрощив перипатетическую фізичну парадигму, стало завершення створення загальної системи механіки. яка була в змозі дати пояснення руху небесних світил на основі явищ, які спостерігаються на Землі. І в епоху античності, в XVII столітті визнавалася важливість вивчення руху небесних світил. Але якщо для древніх греків дана проблема мала більше філософське значення, то для XVII століття, переважаючим був аспект практичний. Розвиток мореплавання обумовлювало необхідність вироблення більш точних астрономічних таблиць для цілей навігації в порівнянні з тими, які були потрібні для астрологічних цілей. Основним завданням було визначення довготи, такої потрібної астрономам і мореплавцям. Для вирішення цієї важливої ​​практичної проблеми і створювалися перші державні обсерваторії (у 1672 р. Паризька, в 1675 р. Грінвіцька). По суті своїй це була задача визначення абсолютного часу, який давав при порівнянні з місцевим часом інтервал часу, який і можна було перевести в довготу. Визначити цей час можна було за допомогою спостереження рухів Місяця серед зірок, тобто годин, "закріплених на небі", а також за допомогою точних годин, поставлених за абсолютним часу і знаходяться у спостерігача. Для першого випадку були необхідні дуже точні таблиці для передбачення положення небесних світил, а для другого - абсолютно точні і надійні годинникові механізми. Роботи в цих напрямках не були успішними. І хоча суд над Галілеєм був "силовим аргументом" на користь аристотелевских уявлень в області космології, прагнення знайти прийнятне фізичне пояснення системи Коперника зберігалося. Вирішенням цієї проблеми займалися багато видатних дослідники (Галілей, Кеплер, Декарт, Гук, Гюйгенс та ін), але вирішити її вдалося лише Ньютону, який, завдяки відкриттю закону всесвітнього тяжіння і трьох основних законів механіки, а також диференціального й інтегрального числення зрадив механіці характер цільної наукової теорії. Крім того, Ньютону належить заслуга відкриття дисперсії світла, хроматичної аберації, дослідження інтерференції і дифракції, розвитку корпускулярної теорії світла і т.д. Дослідженню цих проблем присвячена його "Оптика". Його капітальна праця "Математичні начала натуральної філософії" (опублікований в 1687 р.) Узагальнив не тільки власні дослідження автора, а й досвід попередників. Теорія руху планет і закон всесвітнього тяжіння стали основою фізичного обгрунтування коперниковской геліоцентричної системи світу.
Пошуки відповіді на питання, чому планети рухаються навколо Сонця по еліптичним орбітам, вели багато дослідників. Оскільки планети звертаються по орбітах, то повинна бути якась сила, що утримує їх. Але яка? Гільберт висловив припущення, що такою силою міг бути магнетизм. Бореллі вважав, що рух планет пов'язано з необхідністю врівноважити відцентрову силу іншою силою, яку він назвав силою тяжіння і дія якої вважав виходять за межі безпосередньої близькості Землі до Місяця і Сонця до планет. Гук припустив, що тяжіння з відстанню зменшується. Декарт (теорія тяжіння якого була найбільш поширеною і якій спочатку дотримував Ньютон) виходив з того, що важкі тіла притягувалися до своїх центрам тяжіння якоюсь силою ефірних вихорів. Всі ці ідеї важливо було звести до математичної формулою і перевірити спостереженнями. Гюйгенс, працюючи над годинником з маятником, вивів закон про відцентрової силі, встановивши її пряму пропорційність радіусу кола, по якому рухається тіло, і зворотну пропорційність квадрату швидкості рухомого тіла. Гук, Галілей і Рен встановили, що для врівноваження відцентрової сили тяжіння або доцентрова сила повинні залежати від радіуса, поділеної на його куб. Залишалися невирішеними дві проблеми. Перша - дати пояснення еліптичній формі орбіт. Друга - дати пояснення дії великих притягуються тел.
Умови для вирішення цих проблем були готові, але ці рішення необхідно було знайти. Внесок, зроблений Ньютоном у розвиток природознавства, полягав у тому, що він дав математичний метод звернення фізичних законів у кількісно вимірні результати, які можна було підтвердити спостереженнями, і, навпаки, виводити фізичні закони на основі таких спостережень. Як він сам писав у передмові до "Початкам", "... твір це нами пропонується як математичні основи фізики. Усі труднощі фізики ... полягає в тому, щоб по явищах руху розпізнати сили природи, а потім по цих силах пояснити інші явища ... Було б бажано вивести з початків механіки й інші явища природи, розмірковуючи подібним же чином, бо багато чого змушує мене припускати, що всі ці явища зумовлюються деякими силами, з якими частки тел внаслідок причин, поки невідомих, або прагнуть один до одного і зчіплюються в правильні фігури, або ж взаємно відштовхуються і віддаляються один від одного. Так як ці сили невідомі, досі спроби філософів пояснити явища природи і залишалися безплідними. Я сподіваюся, однак, що або цього способу міркування, або іншому, більш правильному, викладені тут підстави доставлять деякий освітлення ".
Засобом здійснення цього завдання було числення нескінченно малих. Потреба у створенні математики змінних величин (над створенням якої працювали Кеплер, Галілей, Декарт та ін) була задоволена створенням диференціального й інтегрального числення. До його створення прийшли незалежно один від одного Ньютон і Лейбніц (питання про пріоритет був предметом запеклої суперечки). Однак важливо те, що Ньютон застосував цей метод математичного аналізу для розв'язування фізичних проблем. Даний метод став засобом розуміння проблем змінних величин і руху, всіх питань механічної техніки. З його допомогою стало можливим визначати положення тіла в будь-який час, якщо відомі стосунки між цим положенням і швидкістю тіла або величина прискорення в будь який інший час. Інакше кажучи, знаючи закон сили, можна обчислити траєкторію руху тіла.
Ньютон ввів поняття стану системи. Спочатку воно було використано для простих механічних систем. (Надалі поняття стан виявило свою фундаментальну роль й стало застосовуватися в інших фізичних концепціях в якості одного з основних.) Стан механічної системи в класичній механіці повністю визначається імпульсами та координатами всіх тіл, що утворюють дану систему. Якщо відомі координати і імпульси в даний момент часу, то можна однозначно встановити значення координат і імпульсів в будь-який наступний момент часу, а також обчислити значення інших механічних величин - енергії, моменту кількості руху і т.д. (Для того, щоб зробити "Початки" зрозумілими можливо більшій кількості читаючих їх, Ньютон виклав їх на мові геометрії, переклад же на мову математичного аналізу був виконаний пізніше іншими авторами.)
Для утвердження своєї концепції Ньютону було необхідно зруйнувати стару, арістотельскую картину світу. Замість сфер, якої керувалися перводвигателем. він ввів механізм, що діє на основі природного закону, не вимагав постійного використання сили і припускав божественне втручання лише для свого створення і приведення в рух. Це був компроміс науки і релігії. З поданням, відповідно до якого для підтримки руху потрібна сила, було покінчено. Місце статистичного уявлення світу зайняло динамічний його подання. Поступки релігії в питанні про першопоштовхом були, однак, пов'язані не тільки з соціальними причинами, які зумовлюють компроміс науки і релігії, але і з характером його розуміння природи, яку він вважав нееволюціонізірующей, інертної, відсталої субстанцією. Оскільки вічні закони природи дають можливість пояснювати тільки повторюваність незмінних, нееволюціонізірующіх тіл, то перший поштовх був у такій картині світу просто необхідний. Ньютон, як і Арістотель, розуміли фізику як загальну теорію природи. Але якщо Ньютон теорію природи будував на математичних і експериментальних засадах, то Аристотель виключав їх із сфери пізнання. Експериментально-математичний метод пізнання відкрив перед фізикою і взагалі перед природознавством колосальні перспективи. Ньютон, заклавши основи теоретичного фундаменту класичної фізики, відкрив шлях до її подальшого розвитку.
б) Закони класичної механіки
Якщо кінематика вивчає рух геометричного об'єкта (тобто не володіє ніякими властивостями матеріального тіла, крім властивості займати певне місце в просторі і змінювати це положення з плином часу), то динаміка вивчає рух реальних тіл під дією прикладених до них сил, тобто . під дією інших тіл. Встановлені Ньютоном три закони механіки лежать в основі динаміки. Безпосередньо їх можна застосовувати до найпростішого нагоди руху, коли рухається тіло розглядається як матеріальна точка, тобто коли розмір і форма тіла не враховується і коли рух тіла розглядається як рух точки, що володіє масою. У окропі для опису руху точки можна вибрати будь-яку систему координат, щодо якої визначаються характеризують цей рух величини. За тіло відліку може бути прийняте будь-яке тіло, що рухається відносно інших тіл. У динаміці мають справу з інерційних системами координат, що характеризується тим, що стосовно них вільна матеріальна точка рухається з постійною швидкістю. Інерціальній системою відліку називають таку, в якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, на яку не діють ніякі сили, знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Будь-яка система відліку, що рухається щодо інерціальної системи відліку, буде також інерціальної. (Всі інерціальні системи відліку рівноправні, тобто у всіх таких системах закони фізики однакові.)
Встановити інерційну систему координат з абсолютною точністю неможливо, оскільки для цього треба знайти тіло, на яке не діють інші тіла. За таку не можна приймати не тільки системи, пов'язані із Землею і Сонцем, а й навіть з центром Галактики. Отже, поняття інерціальної системи координат є абстракція, яка використовується (як і всяке абстрактне поняття) в застосуванні до фізичних об'єктів з певним ступенем точності.
Закон інерції вперше був встановлений Галілеєм для випадку горизонтального руху: коли тіло рухається по горизонтальній площині, то його рух є рівномірним і тривало б постійно, якщо б площину простягалася в просторі без кінця. Ньютон дав більш загальне формулювання закону інерції як першому закону руху: кожне тіло перебуває в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху до тих пір, поки діють на нього сили не змінять цей стан. Важливо відзначити, що недоліком даної формулювання закону було те, що в ній не містилося вказівки на необхідність віднесення руху до інерціальній системі координат. Справа полягає в тому, що Ньютон не користувався поняттям інерціальної системи координат - замість цього він вводив поняття абсолютного простору (однорідного і нерухомого), з яким і пов'язував якусь абсолютну систему координат, щодо якої і визначалася швидкість тел. Коли беззмістовність абсолютного простору як абсолютної системи відліку була виявлена, закон інерції став формулюватися інакше: щодо інерціальної системи координат вільне тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.
Другий закон механіки говорить: добуток маси тіла на його прискорення дорівнює діючій силі, а напрям прискорення збігається з напрямком сили. Така його сучасне формулювання. Ньютон сформулював його інакше: зміна кількості руху пропорційно прикладеній діючій силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє. Тобто Ньютон у формулюванні другого закону оперує поняттям кількості руху, розуміється як міра руху, пропорційна масі і швидкості. Кількість руху - величина векторна (Ньютон враховував напрямок руху при формулюванні правила паралелограма швидкостей). Але це поняття в історії науки не утрималося (і зараз замінено поняттям імпульсу), оскільки було неясно, чим вимірювати рух. Декарт кількість руху вимірював твором маси на швидкість, Лейбніц - добуток маси на квадрат швидкості (називаючи кількість руху живою силою). Між прихильниками першого і другого виникла дискусія. Даламбер показав еквівалентність обох заходів вимірювання (якщо, наприклад, тіло гальмується під дією сили, то гальмує сила визначається кількістю руху mv, якщо відомо час гальмування, і виводиться з mv _² / ^2, якщо відомий шлях гальмування). Справжня суть обох заходів руху буде з'ясована пізніше, коли буде відкрито закон збереження енергії.
Третій закон Ньютона говорить: дії завжди є рівна і протилежна протидія, інакше взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні і спрямовані в протилежні сторони. Інакше кажучи, сили, з якими діють два тіла один на одного, рівні за величиною і спрямовані в протилежні сторони. Ньютон поширив дію цього закону на випадок і зіткнення тіл, і на випадок їх взаємного тяжіння.
З трьох фундаментальних законів руху Ньютона випливають слідства, одне з яких - додавання кількості руху за правилом паралелограма. Якщо Декарт виходив з визнання незмінності кількості руху в світі, то Ньютон дотримувався протилежної думки.
Прискорення тіла залежить від величин, що характеризують дію інших тіл на дане тіло, а також від величин, що визначають особливості цього тіла. Механічна дія на тіло з боку інших тіл, що змінює швидкість руху даного тіла, називають силою. Вона може мати різну природу (сила тяжіння, сила пружності і т.д.). Зміна швидкості руху тіла залежить не від природи сил, а від їх величини. Оскільки швидкість і сила - вектори, то дія декількох сил складається за правилом паралелограма. Властивість тіла, від якого залежить купується їм прискорення, є інерція, яка вимірюється масою. У класичній механіці, що має справу зі швидкістю, що значно меншими швидкості світла, маса є характеристикою самого тіла, що не залежить від того, чи рухається воно чи ні. Маса тіла в класичній механіці не залежить і від взаємодії тіла з іншими тілами. Це властивість маси спонукало Ньютона прийняти масу за міру матерії і вважати, що величина її визначає кількість матерії в тілі. Таким чином, маса стала розумітися як кількість матерії. (Згодом, зі створенням теорії відносності, з'ясується, що маса тіла не є постійною величиною, а залежить від швидкості його руху, його енергії. Так, чим вища температура тіла, тим більше його маса. Тобто маса тіла характеризує і стан тіла . Тому поняття кількості матерії з сучасного наукового вжитку зникло як що не має сенсу). Кількість матерії є вимірюванню, будучи пропорційним ваги тіла. Вага - це сила, з якою тіло діє на опору, що перешкоджає його вільному падінню. (Число вага дорівнює добутку маси тіла на прискорення сили тяжіння. Внаслідок стиснення Землі та її добового обертання вага тіла змінюється з широтою і на екваторі на 0,5% менше, ніж на полюсах). Оскільки маса і вага суворо пропорційні, виявилося можливим практичний вимір маси або кількості матерії. Розуміння того, що вага є змінним впливом на тіло, спонукало Ньютона встановити і внутрішню характеристику тіла - інерцію, яку він розглядав як притаманну тілу здатність зберігати рівномірний прямолінійний рух, пропорційну масі. Масу як міру інерції можна вимірювати за допомогою ваг, як це робив Ньютон. У стані невагомості масу можна вимірювати за інерцією. Вимірювання по інерції є загальним способом вимірювання маси. Але інерція і вага є різними фізичними поняттями. Їх пропорційність один одному дуже зручна в практичному сенсі - для вимірювання маси за допомогою ваг. Таким чином, встановлення понять сили і маси, а також способу їх вимірювання дозволило Ньютону сформулювати другий закон механіки. Отже, маса є одна з основних характеристик матерії, яка визначає її інертні і гравітаційні властивості - маса як міра інертності по відношенню до діючої на нього силі (маса спокою) і маса як джерело поля тяжіння еквівалентні.
Перший і другий закони механіки відносяться відповідно до руху матеріальної точки або одного тіла. При цьому враховується лише дію інших тіл на дане тіло. Однак будь-яка дія є взаємодія. Оскільки в механіці дію характеризується силою, то якщо одне тіло діє на інше з певною силою, то друге діє на перше з тією ж силою. Третій закон механіки і фіксує це: дії завжди відповідає рівна й протилежно спрямована протидія; інакше: дії двох тіл один на одного завжди рівні за величиною спрямовані в протилежні сторони. (У формулюванні закону під дією і протидією розуміються діючі на тіла сили). У формулюванні Ньютона третій закон механіки справедливий лише для випадку безпосередньої взаємодії сил або при миттєвій передачі дії одного тіла на інше. У разі передачі дії за кінцевий проміжок часу цей закон застосовується тоді, коли часом передачі дії можна знехтувати.
Взагалі закони класичної механіки Ньютона справедливі для випадку інерціальних систем відліку. У разі неінерційній систем відліку ситуація інша. При прискореному русі неінерційній системи координат відносно інерціальної системи перший закон Ньютона (закон інерції) у цій системі не має місця - вільні тіла в ній будуть з плином часу міняти свою швидкість руху. У інерціальних системах відліку другий закон Ньютона можна зберегти, але для цього треба вводити сили інерції. У класичній механіці ці сили мають формальний характер, оскільки вони вводяться лише для зручності розрахунку руху тіл у прискореній системі відліку. У рамках теорії відносності сили інерції володіють властивостями сили тяжіння - прискорення сил інерції, як і сил тяжіння, не залежить від маси тіл, тобто вони еквівалентні. Але оскільки сили тяжіння мають джерело у вигляді мас, а сили інерції мають інший характер, то в принципі можна відрізнити сили інерції від сил тяжіння. Тому про дію принципу еквівалентності можна говорити лише локально.
в) Ньютонівська концепція простору і часу
Як зазначалося вище, для побудови механіки необхідно було ввести поняття системи відліку, бо про рух можна говорити лише тоді, коли є система відліку. Ньютон виходив з того, що природі притаманна абсолютно нерухома система відліку у вигляді абсолютного (однорідного і нерухомого) простору, що виступає як вмістилище всіх тіл, а також абсолютне час, який тече саме по собі, безвідносно до яких-небудь процесів (Ньютон назвав його тривалістю ). Таким чином, у концепції Ньютона простір і час відірвані від матеріальних тіл і реальних процесів.
Ньютоново простір і час є абсолютними і загальними - вони не змінюються від того, що відбувається в ньому з матеріальними тілами. Простір Ньютон розглядав як незалежну субстанцію. У певних умовах простір може впливати на матерію, але матерія не може впливати на простір. Будь-який об'єкт має в просторі певне положення і орієнтацію, відстань між двома подіями точно визначено. Події, що відбуваються в різних точках в один і той же час, одночасні.
У просторі немає якихось позначок. Положення об'єкту в просторі можна визначити відносно іншого об'єкта. З якою швидкістю рухається об'єкт? Що таке спокій? Адже у Всесвіті рухається все. Рух можна відчути, якщо воно нерівномірно. Рух з постійною швидкістю відчути неможливо. Якщо дві системи рухаються рівномірно, але з різними швидкостями, то ніякий досвід не в змозі показати, що одна система спочиває, а інша рухається. Єдине, що можна сказати про них, - це те, що вони знаходяться відносно один одного в стані рівномірного руху. Т.ч., всі рівномірні руху в механіці Ньютона відносні. На противагу цьому, прискорені руху абсолютно. Скажімо, варто поїзду уповільнити хід, як речі під впливом сили інерції зрушаться. Рівномірний рух для Ньютона є природним станом тел. Прискорене рух викликається якимись причинами, які Ньютон назвав силами. Звідки беруться сили інерції? Ньютон приписував їх простору, в якому відбувається прискорення. Т.ч., Ньютон може бути названий на розумінні простору і часу субстанціалістом.
г) Закон всесвітнього тяжіння
Вважається, що стрижнем динаміки Ньютона є поняття сили, а основне завдання динаміки полягає у встановленні закону з даного руху і, назад, у визначенні закону руху тіл по даній силі. З законів Кеплера Ньютон вивів існування сили, спрямованої до Сонця, яка була обернено пропорційна квадрату відстані планет від Сонця. Це означало фізичне обгрунтування коперніканської геліоцентричної системи. Узагальнивши ідеї, висловлені Кеплером, Гюйгенсом, Декартом, Бореллі, Гуком, Ньютон надав їм точну форму математичного закону, відповідно до якого стверджувалося існування в природі сили всесвітнього тяжіння., Обумовлює тяжіння тел. Сила тяжіння (тяжіння) прямо пропорційна масі тяжіють тіл і обернено пропорційно квадрату відстані між ними. Даний закон описує взаємодію будь-яких тіл - важливо лише те, щоб відстань між тілами було досить велике в порівнянні з їх розмірами (це дає можливість приймати тіла за матеріальні точки). У ньютонівської теорії тяжіння приймається, що сила тяжіння передається від одного тяжіє тіла до іншого миттєво, при чому без посередництва будь-яких було середовищ. (В рамках теорії відносності для передачі сили тяжіння від одного тіла до іншого потрібен час - не більше, ніж швидкість світла.)
Закон всесвітнього тяжіння викликав тривалі і запеклі дискусії. Це не було випадково, оскільки цей закон мав важливе філософське значення. Суть полягала в тому, що до Ньютона метою створення фізичних теорій було виявлення і представлення механізму фізичних явищ у всіх його деталях. У тих випадках, коли це зробити не вдавалося, висувався аргумент про так званих "прихованих якостях", які не піддаються детальної інтерпретації. Бекон і Декарт посилання на "приховані якості" оголосили ненауковими. Декарт вважав, що зрозуміти суть явища природи можна лише в тому випадку, якщо його наочно уявити собі. Так, явища тяжіння він представляв за допомогою ефірних вихорів. В умовах широкого розповсюдження подібних уявлень закон всесвітнього тяжіння Ньютона, незважаючи на те, що демонстрував відповідність вироблених на його основі астрономічними спостереженнями з небувалою раніше точністю, піддавався сумніву на тій підставі, що взаємне тяжіння тіл дуже нагадувало перипатетической вчення про "приховані якості". І хоча Ньютон аж ніяк не постулював наявність тяжіння, а встановив факт його існування на основі математичного аналізу та експериментальних даних, математичний аналіз ще не увійшов міцно в свідомість дослідників як достатньо надійного методу. Бернуллі навіть звинувачував Ньютона у відновленні перипатетизму. Ньютон не розглядав питання про причини тяжіння. Але прагнення обмежувати фізичне дослідження фактами, що не є кандидатами на абсолютну істину, дозволило Ньютону завершити формування фізики як самостійної науки і відокремити її від натурфілософії з її претензіями на абсолютне знання.
Ньютон поєднав у собі два суперечливих принципу - Бекона і Декарта. Він виходив з досвіду ("гіпотез я не вигадую"), з одного боку. З іншого - він був прихильником суворого математичного докази. Ньютон не претендував на пояснення найглибших причин - він прагнув до встановлення принципу: закон природи не є поясненням, що походить із спочатку встановлених причин. Закон - лише коротка формулювання широкій області явищ, виведена за допомогою логічного висновку і математичного розрахунку. У законі всесвітнього тяжіння наука отримала зразок закону природи як абсолютно точного, всюди застосовного правила, без винятків, з точно визначеними наслідками. Цей закон був включений Кантом в його філософію, де природа представлялася царством необхідності на противагу моралі - царству свободи.
Фізична концепція Ньютона була своєрідним вінцем фізики XVII століття. Статичний підхід до Всесвіту був замінений динамічним. Експерементально-математичний метод дослідження, дозволивши вирішити багато проблем фізики XVII століття, виявився придатним для рішення фізичних проблем ще протягом двох століть. Концепція Ньютона, хоча і містила бога нам забезпечив першопоштовх, сприяла зростанню скептичного ставлення до авторитету і вірі, ніж послаблювала престиж релігії.
6. Формування механічної картини
світу
  Результатом розвитку класичної механіки стало створення єдиної механічної картини світу, в рамках якої всі якісне різноманіття світу пояснювалося відмінностями в русі тіл, які підпорядковуються законам ньютонівської механіки. Згідно механічній картині світу, якщо фізичне явище світу можна було пояснити на основі законів механіки, то таке пояснення визнавалося науковим. Механіка Ньютона, таким чином, стала основою механічної картини світу, що панувала аж до наукової революції на рубежі XIX і XX століть.
Механіка Ньютона, на відміну від попередніх механічних концепцій, давало можливість вирішувати завдання про будь-якій стадії руху (як попередньої, так і наступної) і в будь-якій точці простору при відомих фактах, що обумовлюють цей рух, а також зворотний завдання визначення величини і напрямку дії цих факторів в будь-якій точці при відомих основних елементах руху. Завдяки цьому механіка Ньютона могла використовуватися в якості методу кількісного аналізу механічного руху. Будь-які фізичні явища могли вивчатися як рух в чисто феноменологічному плані, незалежно від причин, які їх факторів. Закони ньютонівської механіки пов'язували чинності не з рухом, а із зміною руху. Це дозволило відмовитися від традиційних уявлень про те, що для підтримки руху потрібна сила, і відвести тертю, яке робило силу необхідної в діючі механізми для підтримки руху, другорядну роль. Встановивши динамічний погляд на світ замість традиційного статичного, Ньютон свою динаміку зробив основою теоретичної фізики. Хоча Ньютон виявляв обережність у механічних тлумаченнях природних явищ, тим не менш він вважав бажаним виведення з початків механіки інших явищ природи. Феноменологічний метод став розглядатися в якості універсального способу побудови фізичних теорій. Подальший розвиток фізики стало здійснюватися в напрямку подальшої розробки апарату механіки стосовно до вирішення конкретних завдань, по мірі вирішення яких механічна картина світу зміцнювалася.
7. Корпускулярна і хвильова концепції світла
У другій половині XVII століття були закладені основи фізичної оптики. Ф. Грімальді відкриває явище дифракції світла (огинання світлом перешкод тобто відхилення його від прямолінійного поширення) і висловлює припущення про хвильову природу світла. В опублікованому в 1690 р. "Трактаті про світло" Х. Гюйгенсом був сформований принцип, згідно з яким кожна точка простору, якої досягла в даний момент хвиля, що поширюється, стає джерелом елементарних сферичних хвиль, і на його основі вивів закони відбиття і заломлення світла. Гюйгенсом було встановлено явище поляризації світла - явище, що відбувається з променем світла при його відображенні, ламанні (особливо при подвійному заломленні) і полягає в тому, що коливальний рух у всіх точках променя відбувається лише в одній площині, що проходить через напрямок променя, тоді як у неполяризованим промені коливання відбуваються в усіх напрямках, перпендикулярно до променя. Гюйгенс, розробивши ідею Грімальді про те, що світло поширюється не тільки прямолінійно із заломленням і відбиттям, а і з розбивкою (дифракція), дав пояснення всім відомим оптичних явищ. Він стверджує, що світлові хвилі поширюються в ефірі, що представляє собою пронизливий всі тіла тонку матерію.
Але що є хвиля? Хвиля обов'язково рухається в якому то носії, в якому і відбуваються періодичні коливання. Але при поширенні хвилі, наприклад, на поверхні води, не відбувається переміщення води у напрямку поширення хвилі - при цьому поверхня води рухається лише вгору і вниз. Але хвиля при своєму переміщенні передає дію від однієї точки до іншої. Аналогічним чином ситуація з поширенням звукової хвилі, але в цьому випадку хвилі поширюються в просторі в усіх напрямках. Про світлових коливаннях можна судити за непрямими ефектів. Явище інтерференції дає і свідоцтво про хвильову природу світла. Прикладом інтерференційного ефекту є поява забарвлених смуг або кілець, які є при растекании тонкого шару нафти на поверхні води. Світло в цьому випадку спочатку відбивається від верхньої поверхні плівки, а потім від нижньої. Тому коливання в світловому промені, які відбиваються від нижньої поверхні плівки, відстають від коливань в промені, відбитому від її поверхні, причому це відставання дорівнює відстані, рівному подвоєній товщині плівки. Обидва відображених променя в цьому випадку інтерферують так, що якщо товщина плівки дорівнює чверті довжини хвилі, то другий промінь відстає від першого на половину хвилі. Накладення гребеня хвилі, відбитої від іншої поверхні, дає темряву. Білий світ в результаті інтерференції після відбиття стає пофарбованим.
Ньютон спочатку у своїх доповідях у Лондонському Королівському товаристві і потім у "Оптиці" (опублікованій в 1706 р.) виклав свою концепцію світла. Слідуючи своєму феноменологічного методу, Ньютон експериментально досліджував явище дисперсії (розкладання білого світла за допомогою призми у спектр), заклав основи оптичної спектроскопії: він встановив, що кожному кольору відповідає певна довжина світлової хвилі і визначив їх. Ньютон показав, що кольори створюються не призмою. а є компонентами білого світла. Він бачив слабкість хвильової концепції в тому, що вона виявилася не в змозі пояснити явище дифракції світла - огинання світлом перешкод (це вдасться зробити з позиції хвильової концепції понад століття пізніше Френелю). Ньютон ж явище дифракції пояснював на основі полярності, властивою світлового променя. Іншим недоліком хвильової концепції було її вимогу допустити існування ефіру-середовища, в якій поширюється світло. Той факт, що рух планет і комет в небесному просторі не зустрічає помітного опору, який обов'язково відбилося б на правильності руху, дозволив Ньютону існування такого середовища піддати сумніву. А якщо відкинути можливість існування такого середовища, то гіпотеза про поширення світла через неї втрачає сенс. (Критикуючи хвильову концепцію світла, що представляє світ у вигляді поширюються в ефірі механічних хвиль, Ньютон не міг ще припустити, що світлові хвилі можуть мати не механічну природу.)
Усунення труднощів, що стоять перед хвильової концепцією світла, Ньютон бачив на шляху розгляду світла як складається з корпускул - своєрідних "малих тіл" (атомів), які можуть взаємодіяти з частинками речовини. Такі тіла, на його думку, проходять через однорідні середовища "без загинання". Важливо відзначити, що, порівнюючи хвильову і корпускулярну концепцію світла, Ньютон не висловлюється беззастережно на користь однієї з них. Його висловлювання багатьма дослідниками його творчості трактуються як своєрідний синтез хвильової і корпускулярних концепцій (що передбачив гіпотезу де Бройля, висловлену в 1924 р.). Відкриття явище поляризації світла переконувало Ньютона у справедливості корпускулярної концепції світла. Дослідження ж інтерференції приводило його до висновку про наявність своєрідною періодичності у властивості світла. Послідовники Ньютона представили Ньютона як беззастережного прихильника корпускулярної концепції світла. Авторитет імені Ньютона, таким чином, в даному випадку зіграв негативну роль - затримав розвиток хвильової теорії світла.
8.    Принципи мінімального часу П. Ферма і найменшої дії П. Мопертюї
Зародки ідеї фізичної еквівалентності хвиль і частинок було видно вже у формулюванні принципу мінімального часу П. Ферма і принципу найменшої дії П. Мопертюї. Принцип Ферма, сформульований у 1660 р., встановлював, що дійсний шлях поширення світла з однієї точки в іншу є той шлях, для проходження якого світла потрібно мінімальне (або максимальне) час в порівнянні з будь-яким іншим геометрично можливим шляхом між тими ж точками. Принцип найменшої дії Мопертюї (сформульований в 1740 р.) встановлював, що для певного класу порівнюваних один з одним рухів механічної системи здійснюється те, для якого дія мінімальна. Як виявилося, яка б не була середа, корпускули і хвилі йшли за мінімальними траєкторіях - хвиля рухалася так, щоб зробити мінімальним час проходження променів, тобто світло "вибирає" шлях, для якого кількість дії є найменшим (відповідно до принципу Ферма), а рух частинок було таким, щоб функція дії була мінімальна, (відповідно до принципу Мопертюї). Проте реалізація ідеї відповідності між корпускулами і хвилями була здійснена Л. де Бройля, Е. Шредінгер, В. Гейзенбергом і П. Діраком лише в 20-х рр.. XX століття. Так чи інакше в механіку увійшли важливі принципи, які реалізували ідею про те, що природа діє найбільш легкими і доступними шляхами. Розвиток цих принципів Л. Ейлером, І. Бернуллі, Ж. Даламбером, дозволило створити варіаційне числення, що дозволяє знаходити найбільші і найменші значення змінних величин (функціоналів), що залежать від вибору однієї або декількох функцій, і побудувати закінчену систему аналітичної механіки.
9. Особливості фізичних концепцій XVIII століття
Розвиток буржуазних відносин сприяло бурхливому зростанню промисловості і торгівлі, мануфактурне виробництво все більше змінювалося фабричним. Розвиток машинної індустрії, що почалося з текстильної промисловості, поширилося на інші галузі виробництва. Запити виробництва надавали стимулюючий вплив на розвиток науки, особливо механіки і математики. І хоча розрив між рівнем розвитку науки і техніки зменшувався в порівнянні з попереднім часом, техніка в цілому випереджала у своєму розвитку науки. Так, наприклад, появи потяга не передували відповідні теплотехнічні дослідження, практична металургія не мала в своїй основі наукових даних про процеси відновлення металів, машинобудування здійснювалося без наукових знань про природу пружності твердих тіл, їх міцності і т.д. Поступово роль наукового знання в розвитку техніки і виробництва починає усвідомлюватися, зростає інтерес до наукового знання. XVII століття входить в історію як століття Просвітництва. З'являються нові академії наук: Петербурзька (1726 р.), Шведська (1729 р.) і т.д., а також нові періодичні наукові видання. Збільшується кількість учених. Роль науки в житті суспільства усвідомлюється все більше і більше.
Розвиток фізики цього періоду характеризується зростанням систематичних досліджень. Збільшилася кількість публікацій і листування вчених сприяє встановленню зв'язків між вченими. Картезіанської напрям все більше поступається місце ньютонівської механіки. З'являється перший систематичний курс фізики П. ван Бушенбрука (1739 р.). Після побудови Ньютоном основ механіки необхідно було привести її в стійку систему і розробити методи обчислення конкретних задач статики та динаміки. Це і визначило, з одного боку, розробку і використання математичних концепцій (обчислювальної механіки) і, з іншого боку, розробку технічної механіки. Великий внесок у розвиток обчислювальної механіки вносять Ейлер, Даламбер, Лангранжа. Д. Бернуллі, Ейлер, Даламбер закладають основи гідродинаміки (фізичної механіки) рідин. Ш, Дюфе відкриває існування двох родів електрики і встановлює, що однойменно заряджені тіла відштовхуються, а різнойменно заряджені - притягуються. Б. Франклін встановлює закон збереження електричного заряду, а Ш. Кулон і Г. Кавендіш відкривають основний закон електростатики, який визначає силу взаємодії нерухомих електричних зарядів - закон Кулона. Б. Франклін, М. В. Ломоносов, Г. Ріхман доводять електричну природу кульової блискавки. Л. Гальвані встановлює факт "тваринної електрики" і виникнення різниці потенціалів при контакті металу з електролітом, чим поклав початок джерел постійного електричного струму і електрофізіології. А. Вольта створює перший хімічний джерело електричного струму (вольтів стовп). П. Бугер та І. Ламберт створюють фотометрію. В. Гершель відкриває інфрачервоні промені, а І. Ріттер і Волластон - ультрафіолетові.
10. Теорія теплорода і механічна концепція теплоти
Практичні потреби актуалізували дослідження в області теплових явищ. Машинобудування та хімічна промисловість потребували методах точного вимірювання теплових величин, перш за все вимірювання температури. Потреби метеорології, хімії. медицини також вимагали вдосконалення вимірювання температури. Розвиток термохімії (Фарангейт, Деліль, Ломоносов, Реомюр, Цельсій) грунтувалося на використанні теплового розширення тіл. Удосконалення парової машини Ньюкомена, що використовувалася більш ніж півстоліття без змін, вимагало створення кількісної теорії теплових явищ.
Дж.Блек, вивчаючи природу теплоти, встановив, що різні види речовини нагріваються в різній мірі одним і тим же кількістю теплоти, що дозволило йому виявити теплоємність різних видів речовини, тобто кількість теплоти, яку необхідно підвести до тіла, щоб підвищити його температуру на один градус за Цельсієм або Кельвіном. Він встановив, що при таненні льоду і снігу протягом певного часу вони поглинають тепло, не стаючи при цьому тепліше. Це дозволило їй виявити приховане (латентне) стан теплоти.
Блек розумів теплоту як якусь матеріальну субстанцію ("субстанцію теплоти"). А. Лавуазьє називав її теплорода. Спроби зважити її виявилися невдалими, тому теплоту стали розглядати як особливого роду невагому неунічтожаемую рідина, здатну перетікати від нагрітих тіл до холодних. Лавуазьє вважав, що подібна концепція була в повній відповідності з його ідеєю отримання теплоти за допомогою хімічних сполук. Захоплення цією концепцією виявилося настільки велике, що кінетична теорія теплоти, в рамках якої теплота представлялася як певний вид руху частинок, відступила на другий план, незважаючи на те, що її поділяли Ньютон, Гук, Бойль, Бернуллі, Ломоносов.
Чому ж концепція теплорода все-таки утвердилася, хоч і на якийсь час? П. С. Кудрявцев дає таке пояснення. Для фізичного мислення XVIII століття була характерна оперування різними субстанціями - електричними, магнітними, світловими, тепловими. Світло, електрика, магнетизм, теплоту навчилися вимірювати. Це дозволило уподібнити невагомі феномени звичайним масам і рідин, що сприяло розвитку експерименту та накопичення необхідних фактів. Інакше кажучи, концепція невагомих рідин виявилася необхідним етапом у розвитку фізичних концепцій.
11. Концепція єдиного універсального взаємодії частинок речовини Р. Бошковича
Розвиток вчення про теплоту призвело до постановки як прибічниками теплородной, так і кінетичної концепції теплоти питань про будову речовини, про причини таких властивостей тіл, як міцність, пружність, опірність і т.д. незалежно від інтенсивності теплового руху. Вчення Декарта, Галілея, Ньютона не давали відповідей на ці питання. Бернуллі така властивість як пружність приписував атомам. Лейбніц стверджував. що уявлення про існування неподільних атомів невірно, тому зв'язування фізичних властивостей тіл з величиною атомів безглуздо. Р. Бошкович сформулював ідею про єдиний універсальний закон взаємодії частинок речовини, на основі якого він намагався дати пояснення фізичним властивостям речовини. Концепція Бошковича споріднена уявленням Лейбніца про існування непротяжних перших простих елементів і ньютоновским уявленням про змінюються з відстанню силах. Бошкович виходив з визнання існування закону взаємодії, що діє між будь-якою парою точкових частинок - перших елементів матерії, неподільних і непротяжних. На мінімальних відстанях між частинками діє сила відштовхування, необмежено зростає при їх зближенні. Зі збільшенням відстані між частинками дана сила відштовхування убуває, поступово переходячи в силу тяжіння, яка з подальшим збільшенням відстані зменшується і поступово перетворюється на силу відштовхування. Тобто сила взаємодії багаторазово змінює знак на порівняно невеликих відстанях. При досягненні певної відстані між двома частками сила взаємодії стає привабливою, спадною, відповідно до закону тяжіння, обернено пропорційно квадрату відстані. Раціональний сенс концепції Бошковича полягав в усвідомленні того, що в природі немає абсолютно жорстких незмінних тіл, що будь-яке тіло є системою, що складається з пасажирів рухомому рівновазі частинок. Концепція Бошковича представляла собою фізичну гіпотезу, на основі якої робилася спроба пояснити фізичні властивості речовини. Тому, на відміну від ньютонианцев, прагнули звести завдання руху та взаємодії тіл до математичної формі, Бошкович прагнув механічні завдання звести до фізики сил взаємодії. Оскільки в цей час не було достатніх даних ні про будову речовини, ні про сили, що діють між частинками, концепція Бошковича по відношенню до магістральної лінії розвитку фізики цього часу виявилася маргінальною.
ОСНОВНІ КОНЦЕПЦІЇ КЛАСИЧНОЇ ФІЗИКИ XIX СТОЛІТТЯ
1. Становлення класичного природознавства
Соціально-економічні та політичні умови розвитку науки в XIX столітті в різних країнах не були однаковими. І хоча ці умови не завжди сприяли розвитку науки, для XIX століття в цілому характерний бурхливий ріст наукових досліджень і авторитет науки. У Франції під впливом технічної революції розвиваються переважно фізико-математичні та природничі науки, керівним центром яких виступав Національний інститут. У силу техніко-економічної відсталості Німеччини в ній не було настільки ж сприятливих, як у Франції, умов розвитку фізико-математичних і природничих наук - перевага віддавалася філософії, богослов'я та класичної філології. Наявність великої кількості університетів, територіальна близькість різних факультетів один до одного сприяли активному взаимовлиянию наук. Децентралізація університетської науки сприяла появі великої кількості наукових видань. Успіхи в галузі техніки зумовили зростання практицизму, що призвело до приниженню ролі теоретичних досліджень і посиленню ролі прикладних. Особливістю науки в Англії була відсутність таких центрів, як Національний інститут у Франції і широкої мережі університетів, як у Німеччині. Тому наукові дослідження частіше велися поодинці, в ізольованих один від одного областях науки. Але це були блискучі дослідження, результати яких з-за відсутності необхідних науково-дослідних і навчальних установ нерідко розроблялися вченими інших країн. Відомий історик науки Дж.Мерц, характеризуючи специфіку розвитку науки цього періоду, зазначав, що найбільша кількість скоєних за формою та змістом праць, що стали класичними для всіх часів, виконано, ймовірно, у Франції; найбільша кількість наукових робіт було, ймовірно, виконано в Німеччині ; найбільша частка ідей, які запліднили науку протягом століття, належить, ймовірно, Англії. Спільною для всіх країн характерною рисою розвитку науки в XIX столітті можна вважати посилення її взаємодії з технікою та економікою.
Фізика XIX століття вважається класичною. Ньютонівської феноменологічний метод став головним інструментом пізнання природи. Закони класичної механіки і методи математичного аналізу демонстрували свою ефективність. Фізичний експеримент, спираючись на вимірювальну техніку, забезпечував небувалу раніше точність. Фізичне знання все більшою мірою ставало основою промислової технології і техніки, стимулювало розвиток інших природничих наук. У фізиці ізольовані раніше світло, електрику, магнетизм і теплота виявилися об'єднаними в електромагнітну теорію. І хоча природа тяжіння залишалася не з'ясованою, його дії можна було розрахувати. Утвердилася концепція механістичного детермінізму Лапласа, що виходила з можливості однозначно визначити поведінку системи в будь-який момент часу, якщо відомі вихідні умови. Структура механіки як науки здавалася міцною, надійною і майже повністю завершеною - тобто не укладаються в існуючі класичні канони феномени, з якими доводилося стикатися. здавалися цілком зрозумілими в майбутньому більш витонченими умами з позицій класичної механіки. Складалося враження, що знання фізики близько до свого повного завершення - настільки потужну силу демонстрував фундамент класичної фізики, незважаючи на те. що в її окремих областях гніздилися залишки старих метафізичних концепцій. Але поступово останні здають свої позиції: сходять з арени теорія флюїдів, теорія теплороду і т.д. Проникнення фізичних знань у промисловість, техніку призводить до появи прикладної фізики, а дослідження в її області значно розширювали фактичний матеріал, який вимагав теоретичної інтерпретації. Зрештою нездатність класичної теорії пояснити нові факти наводить на рубежі XIX і XX століть до наукової революції у фізиці.
2. Хвильова концепція світла О. Френеля
Сформовані в попереднє століття корпускулярна і хвильова концепція світла в XIX столітті продовжили запеклу боротьбу. Перша спиралася на авторитет Ньютона, друга - на авторитет Гука, Гюйгенса, Ейлера, Ломоносова. Прихильники корпускулярної концепції сподівалися пояснити з її позицій труднощі з поясненням явищ дифракції та інтерференції. Т. Юнг дав це пояснення з позицій хвильової концепції. Виходячи з висловлених ним гіпотез про існування розрідженого і пружного світлоносного ефіру, що заповнює Всесвіт, про порушення хвилеподібних рухів в ефірі при світінні тіла, про залежність відчуття різних квітів від різної частоти коливань, які збуджуються світлом на сітківці ока, про притягнення усіма матеріальними тілами ефірного середовища, внаслідок чого остання накопичується в речовині цих тіл і на малій відстані навколо них у стані більшої щільності (але не більшої пружності), Юнг робить висновок про те, що випромінюється світло складається з хвилеподібних рухів світлоносного ефіру. Це дало можливість все розмаїття квітів звести до коливальним рухам ефіру, а відмінність квітів пояснити відмінностями частот коливань ефіру, а також сформулювати принцип інтерференції.
Прямолінійне поширення світла було найбільш важливим аргументом на користь нової теорії. О. Френель робить новий суттєвий крок у розвитку хвильової теорії. (Ідея інтерференції взагалі виявилася настільки плідною, що при зустрічі з невідомим видом випромінювання завжди намагаються отримати інтерференцію. І якщо це вдається, то тим самим доводиться його хвильовий характер.)
Зв'язавши принцип Гюйгенса, (згідно з яким молекули тіла, наведені в коливання падаючим світлом стають центрами випускання нових хвиль) з принципом інтерференції, (згідно якому накладається хвилі, на противагу корпускулярним променям, не обов'язково посилюються, а можуть і послаблюватись до повного знищення), Френель дав пояснення прямолінійним поширенню світла, показавши, що промені, поляризовані перпендикулярно один до одного, не інтерферують. У дослідах по дифракції світла він встановив. що дифракційні смуги з'являються внаслідок інтерференції променів. Принцип інтерференції дозволив Френелю закони відбиття і заломлення пояснити взаємним погашенням світлових коливань у всіх напрямках, за винятком тих. які задовольняють закону відображення. Френелю вдалося експериментально довести, що світлові промені можуть впливати один на одного, послаблюватися і навіть майже повністю погашатися у випадках приголосних коливань, що і дозволило йому дати пояснення явищу дифракції. Френель довів. що світло є поперечним хвильовим рухом. Він пояснив явище поляризації світла в експериментальних дослідженнях відображення і заломлення світла від поверхні прозорих речовин. Їм було встановлено, що відображення плоско-поляризованого світла від поверхні прозорого тіла супроводжується поворотом площини поляризації в тих випадках, коли ця площина не збігається з площиною падіння або не перпендикулярна до неї. Розвиваючи ідеї Гюйгенса про поширення хвиль в кристалах. Френель заклав основи Крісталлооптіка.
Таким чином, боротьба хвильової та корпускулярної концепції світла в першій половині XIX століття завершується перемогою хвильової концепції - було встановлено, що світло є поперечним хвильовим рухом. Вирішальним внеском у цю перемогу і стало пояснення з допомогою хвильової концепції явищ дифракції та інтерференції світла.
3. Концепції класичної електродинаміки
Класична електродинаміка, що представляє собою теорію електромагнітних процесів у різних середовищах і вакуумі, охоплює величезну сукупність явищ, в яких головна роль належить взаємодіям між зарядженими частинками, які здійснюються за допомогою електромагнітного поля. Розділом електродинаміки, що вивчають взаємодії та електричні поля покояться електричних зарядів, є електростатика.
Успіхи в області електростатики, що виразилися у встановленні кількісного закону електричних взаємодій, сприяли не тільки накопичення експериментальних даних в області електростатичних явищ і вдосконалення електростатичних машин, а й створенню математичної теорії електро-і магнітостатістіческіх взаємодій. Відкриття Л. Гальвані "тваринної електрики", створення А. Вольта першого генератора електричного струму ("вольтова стовпа"), здійснення першого опису замкненого кола електричного струму, відкриття В. В. Петровим електричної дуги, відкриття Г. Деві і М. Фарадея хімічного дії електричного струму, теоретичні роботи з електро-та магнітостатики С. Пуассона і Д. Гріна були завершальними успіхами в області концепції електричної рідини, що вважалася на початку XIX століття основою електростатики, подібно до того, як концепція магнітної рідини вважалася основою магнітостатики. Надалі головним напрямком в даній області стає електромагнітізм.
У 1820 р. Х. Ерстед було відкрито магнітне дію електричного струму - навколо дроту з електричним струмом було виявлено магнітне поле. Таким чином, було доведено зв'язок електрики і магнетизму. А. Ампер, грунтуючись на єдності електричних і магнітних явищ, розробив першу теорію магнетизму, заклавши тим самим основи електродинаміки. Він розрізняв поняття електричного струму і електричної напруги. Основними поняттями його концепції були "електричний струм", "електричний ланцюг". Під електричним струмом Ампер розумів невпинно чергуються всередині провідника процеси з'єднання і розділення протилежно заряджених частинок електрики. (Найменування одиниці сили струму носить ім'я Ампера.) Їм обгрунтовано напрямок руху струму - напрямок позитивного заряду електрики, а також встановлено закон механічної взаємодії двох струмів, що течуть в малих відрізках провідників, що знаходяться на деякій відстані один від одного. З даного закону варто. що паралельні провідники зі струмами, які течуть у одному напрямку, притягуються, а в протилежних напрямках - відштовхуються. З уявлення про магніті як сукупності електричних струмів, розташованих у площинах, перпендикулярних лінії, що з'єднує полюси магніту, випливав природний висновок про те, що соленоїд еквівалентний магніту. Революційний зміст цього висновку був очевидний: для пояснення явища магнетизму більше не було потрібно наявності "магнітної рідини" - все явище магнетизму виявилося можливим звести до електродинамічних взаємодіям.
Наступним кроком у розвитку електродинаміки було відкриття М. Фарадеєм явища електромагнітної індукції - порушення змінним магнітним полем електрорушійної сили в провідниках, - що стала основою електротехніки. Важливим результатом його досліджень стало також обгрунтування того, що окремі види електрики тотожні за своєю природою, незалежно від їхнього джерела. Відкриття закону електролізу (хімічне дію електричного струму прямо пропорційно кількості проходить електрики), відкриття обертання площини поляризації світла в магнітному полі. Намагаючись пояснити явище електромагнітної індукції на основі концепції дальнодії, але зустрівшись з труднощами, він висловив припущення про здійснення електромагнітних взаємодій по засобом електромагнітного поля, тобто на основі концепції блізкодействія. Це поклало початок формуванню концепції електромагнітного поля, оформлену Д. Максвеллом.
4. Електромагнітне поле Максвелла і ефір
Теорія Ньютона успішно пояснила рух планет навколо Сонця під впливом сили тяжіння, але не змогла вірно пояснити рух електрично заряджених частинок, які взаємодіють один з одним через порожній простір під впливом електричних і магнітних сил - модель атома нагадує модель Сонячної системи (у центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони). Разом з тим між гравітаційними й електромагнітними силами є відмінності: електричний заряд має лише деякі частинки, а гравітацією володіють всі форми речовини та енергії; електричні сили бувають позитивними і негативними (причому частинки з різним зарядом притягуються, а з однаковим - відштовхуються), а тяжіють об'єкти тільки притягуються; при малих масштабах (наприклад, в атомі) різко переважають електромагнітні сили, а при великих масштабах (наприклад, при масштабах Землі) - гравітаційні. Д. К. Максвелл вивів систему рівнянь, що описують взаємозв'язок руху заряджених частинок і поведінку електромагнітних сил. Центральним поняттям теорії Максвелла було поняття поля, яке позбавило від труднощів. пов'язаних з ньютоновским дією на відстані. У XIX ст. полі описувалося за аналогією з рухомої рідиною, тому воно характеризувалося за допомогою таких термінів, як "магнітний потік", "силові лінії" тощо Опис ж поля як рідини передбачає середу, передає дію від одного заряду до іншого. Таку гіпотетичну рідина назвали ефіром. Вважали, що ефір заповнює все пусте простір, залишаючись невидимим. Електромагнітні поля представлялися у вигляді натягів в ефірі. Заряджені частинки породжували в ефірі хвилі натягів. швидкість поширення яких, як і показали розрахунки, виявилася близько 300000 км / с. Світло стало розглядатися у вигляді електромагнітних хвиль, які викликалися рухами заряджених частинок і які поширювалися в просторі як коливання ефіру. З відкриттям електромагнітних хвиль (радіохвилі, надвисокочастотні. Теплові (інфрачервоні), ультрафіолетові, рентгенівські хвилі. Гамма-випромінювання) з'явилася можливість перевірки ньютонівської теорії простору і часу.
Якщо Фарадей здійснив новий підхід до вивчення електричних і магнітних явищ, створивши концепцію поля. яке опісвивалось за допомогою силових ліній, то Максвелл. ввівши точне поняття електромагнітного поля. сформулював його закони.
З концепції Френеля про поперечних світлових хвиль неминуче випливали питання про те, в якій же середовищі поширюються хвилі, чому немає поздовжніх світлових хвиль, як діє ефір на рухаються в ньому тіла і т.д. Було висловлено безліч найрізноманітніших гіпотез щодо поперечности світлових хвиль (наприклад, гіпотеза абсолютно нестисливого ефіру, гіпотеза нерухомого ефіру, гіпотеза ефіру, частково увлекаемого за собою рухаються в ньому тілами і т.д.). Тобто існування самого ефіру сумніву не піддавалося, бо поширення хвиль вимагало відповідного середовища.
Максвелл створює електромагнітну теорію світла, встановивши рівняння, що пояснювали всі відомі на той час факти з єдиної точки зору. У них встановлювалася зв'язок між змінами магнітного поля і виникненням електрорушійної сили. Своє головне завдання Максвелл вбачав у тому, щоб привести електричні явища до галузі динаміки. Він виходив з того, що електричний струм не можна розглядати інакше як дії не розташування. а поширення протікають у часі. Причина електричних струмів була їм названа електрорушійної силою.
Стан електромагнітного поля в теорії Максвелла задається напруженістю електричного поля і магнітної індукції. Дослідивши зв'язку між електричними і магнітними полями. Максвелл з того, що змінюється електричне поле створює магнітне поле, яке саме створює електричне поле, і кількісного аналізу цих співвідношень прийшов до висновку про поширення даного процесу у просторі. Іншими словами, змінне електричне поле в одній точці створює магнітне поле по сусідству з нею, яке в свою чергу викликає електричне поле трохи далі. Оскільки цей процес відбувається знову і знову, виникає вагалося електромагнітне поле, безперервно розширюється в просторі. При цьому електричне або магнітне поле поширюється незалежно від способів їх виникнення (будь то коливання зарядів або поява магнітів). Обчислення швидкості розповсюдження поля, виконані за даними про спостережуваний струмі, індукованим рухомими магнітами, або за даними про створюваний струмами магнітному полі, виявили. що вона дорівнює швидкості світла. І хоча Максвелл у своїх обчисленнях використовував вимірювання електричних струмів і магнітних полів, тобто явищ, здавалося б, не мають зі світлом нічого спільного. Він з цих вимірів зробив висновок про те, що вагалося електричне поле поширюється у вигляді хвиль зі швидкістю світла. Цим було встановлено зв'язок між оптикою і електрикою - областями, які раніше представляли не пов'язаними один з одним. Оптика стала розділом електродинаміки.
Таким чином, світло виявився не чим іншим, як поширенням електромагнітних хвиль. Експериментальне їх виявлення Г. Герцем в 1880 р. означало перемогу електромагнітної концепції, хоча вона в свідомості вчених утвердилася не відразу (концепції Ньютона знадобилося для свого затвердження половина століття, концепції Максвелла знадобилася для цього чверть століття). Герц встановив, що електромагнітні хвилі мають властивість, аналогічні світловим: переломлення, відображення, інтерференцію, дифракцію, поляризацію, ту ж швидкість розповсюдження. (Оцінюючи результати своїх експериментів, Герц чудово розумів, що вони руйнують будь-яку теорію, яка вважає, що електричні сили розповсюджуються в просторі миттєво.)
Концепція Максвелла стала новим кроком у розумінні природи електричних і магнітних явищ, який зумовив можливість появи радіо, радиолакации, телебачення і т.д. Вона дала відповідь на питання про природу світлових хвиль: світлова хвиля є хвиля електромагнітного поля, що розповсюджується в просторі. Відкриття Максвелла прийнято порівнювати за ступенем важливості з відкриттям Ньютоном закону всесвітнього тяжіння. Якщо Ньютон ввів поняття загального поля тяжіння, то Максвелл ввів поняття електромагнітного поля і встановив закони його поширення.
Розвитком концепції Максвелла було вимірювання П.М. Лебедєвим тиску світла, передбаченого Максвеллом, а також використання електромагнітних хвиль для бездротового зв'язку А. С. Поповим та Г. Марконі.
5. Молекулярно-кінетична концепція теплових процесів
  Як зазначалося раніше, глибоке вивчення теплових процесів передбачає врахування молекулярної будови речовини. Рішення такого завдання виявилося зв'язаним з використанням статистичних методів. Включення теплових процесів в рамки механічної картини світу призвело до відкриття статистичних законів, в яких зв'язки між фізичними величинами носять імовірнісний характер. У класичній статистичної механіки, на відміну від динамічної, задаються не координати та імпульси частинок системи, а функція розподілу частинок за координатами і імпульсам, що має сенс щільності ймовірності виявлення спостережуваних значень координат і імпульсів.
Панування концепції теплороду і відсутність необхідних експериментальних фактів в першій половині XIX століття затримали розвиток молекулярно-кінетичної теорії речовини. Відкриття закону збереження енергії продемонструвало зв'язок теплоти з рухом невидимих ​​частинок речовини, давши поштовх дослідженням, розпочатим Р. Бойл, М. В. Ломоносовим, Д. Бернуллі та ін М. В. Ломоносов вперше висловив ідею про тепловому обертальному русі атомів. До цієї ідеї прийшов і Г. Деві. Д. Дальтон встановив, що атоми одного і того ж хімічного елемента мають ідентичними властивостями і, ввівши поняття атомної ваги хімічного елемента, дав йому визначення як відношення маси одного атома цього елемента до маси одного атома водню. А. Авогадро встановив. що ідеальні гази (гази з зневажливо малими силами взаємодії між його частинками) при однакових температурі і тиску містять в одиниці об'єму однакові кількості молекул.
До середини XIX століття еквівалентність теплоти і енергії визнало більшість вчених, теплоту стали розглядати як молекулярний рух. Досліди Ж.Л.Гей-Люссака і Д. Джоуля підтвердили незалежність внутрішньої енергії ідеальних газів від їх обсягів, що було свідченням нікчемності діючих між їх молекулами сил. Р. Клаузіус до поступального руху молекул додає обертальне і внутрішньомолекулярної коливальний рух і дає пояснення закону Авогадро як слідству того. що молекули будь-яких газів володіють однаковою "живою силою" поступального руху. Для даного етапу розвитку молекулярно-кінетичної теорії газів важливим було обчислення середніх значень різних фізичних величин, таких як швидкість руху молекул, число їхніх зіткнень в секунду, довжина вільного пробігу і т.д., визначення залежності тиску газу від кількості молекул в одиниці об'єму та середньої кінетичної енергії поступального руху молекул - все це дало можливість виявити фізичний зміст температури як заходи середньої кінетичної енергії молекул.
Наступний етап у розвитку молекулярно-кінетичної теорії газів почався з робіт Д. Максвелла. Завдяки введенню поняття ймовірності було встановлено закон розподілу молекул за швидкостями (всяка система, спочатку містить швидкі (гарячі) і повільні (холодні) молекули, повинна прийти в такий стан, при якому більшість молекул рухається зі середніми швидкостями, стаючи ледь теплими), що і призвело до створення статистичної механіки. У роботах Л. Больцмана, який побудував кінетичну теорію газів, було дано статистичне обгрунтування другого початку термодинаміки - незворотність процесів була пов'язана з прагненням систем до найбільш вірогідного стану. Виявлення статистичного сенсу другого початку термодинаміки мало важливе значення - виявилося, що другий початок термодинаміки на відміну від першого має межі своєї застосовності: воно не стосується до руху окремої молекули. Незворотність руху виявляється в поведінці лише величезного числа молекул.
Класична статистична механіка завершується роботами Д. Гіббса, який створив метод розрахунку функцій розподілу не тільки для газу, але взагалі для будь-яких систем у стані термодинамічної рівноваги. Загальне ж визнання статистичної механіки настане вже в XX столітті, коли, на основі молекулярно-кінетичної теорії буде побудована кількісна теорія броунівського руху (на основі дослідження останнього Ж. Перрен довів реальність існування молекул).
Таким чином, молекулярно-кінетична концепція газу є сукупністю величезної кількості молекул, що рухаються у всіх напрямках, соударяющихся один з одним і після кожного зіткнення змінюють напрямок свого руху. У такому газі існує середня швидкість руху молекул, а тому повинна існувати і середня кінетична енергія молекули. Якщо це так, то теплота є кінетична енергія молекулярного руху і будь-який певній температурі відповідає певна кінетична енергія молекули. Молекулярно-кінетична теорія речовини і якісно і кількісно пояснює закони газів і інших речовин, встановлені експериментально. Броунівський рух, виявлене Р. Броуном, продемонструвало рух частинок у рідинах. Спостерігаючи через мікроскопи за рухом органічних і неорганічних речовин у воді, Броун встановив, що їх рух викликається потоками в рідині і не її постійним випаровуванням, а належить самим частинкам. Це спостереження виглядає суперечить всьому попередньому досвіду. Молекулярно-кінетична теорія дозволила пояснити виниклу трудність.
Суть справи полягає в наступному. Частинки, що рухаються у воді і спостерігаються в мікроскоп, бомбардуються меншими частками, з яких складається вода. броунівський рух виникає внаслідок того, що дана війна в силу своєї хаотичності і неоднаковості з різних сторін, не може бути врівноважена. Важливо, таким чином, те, що спостерігається в мікроскоп рух є результатом руху, який в даний мікроскоп ненаблюдаемость: хаотичний характер поведінки великих часток відображає хаотичність поведінки молекул, з яких складається речовина. Звідси ясно, що кількісне вивчення броунівського руху дозволяє глибше проникнути в кінетичну теорію речовини. Оскільки бомбардирующие молекули мають певні маси і швидкості, то вивчення броунівського руху дозволяє визначити масу молекули.
6. Концепції класичної термодинаміки
а) Виникнення термодинаміки
Теплові явища відрізняються від механічних і електромагнітних тим, що закони теплових явищ необоротні (тобто теплові процеси самі йдуть лише в одному напрямку) і що теплові процеси здійснюються лише в макроскопічних масштабах, а тому використовувані для опису теплових процесів поняття і розміри (температура , кількість теплоти і т.д.) також мають тільки макроскопічний зміст (про температуру, наприклад, можна говорити стосовно до макроскопічного тіла, але не до молекулі або атому). Разом з тим знання будівлі речовини необхідно для розуміння законів теплових явищ.
Тіло, аналізоване з термодинамічної позиції, є нерухомим, що не володіє механічною енергією. Але таке тіло має внутрішню енергію, що складається з енергій електронів, що рухаються і т.д. Це внутрішня енергія може збільшуватися або зменшуватися. Передача енергії може здійснюватися шляхом передачі від одного тіла до іншого при вчиненні над ними роботи і шляхом теплообміну. У другому випадку внутрішня енергія переходить від більш нагрітого тіла до менше нагрітого без учинення роботи. Передану енергію називають кількістю теплоти, а передачу енергії - теплопередачею. У загальному випадку обидва процеси можуть здійснюватися одночасно, коли тіло при втраті внутрішньої енергії може здійснювати роботу і передавати теплоту іншому тілу. До розуміння цього вчені прийшли не відразу. Для XVIII і першій половині XIX ст. було характерно розуміти теплоту як невагому рідину (речовина).
Уявлення про теплоту як формі прямування дрібних часток матерії з'явилося ще в XVII столітті. Цих поглядів дотримувалися Бекон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Проте й у XIX столітті концепція теплороду поділялася багатьма вченими. У кінці XVIII століття Б. Томпсон (граф Румфорд) виявив виділення великої кількості тепла при висвердлюванні каналу в гарматному стовбурі, що порахував доказом того, що теплота є формою прямування. Одержання теплоти за допомогою тертя підтвердили досліди Г. Деві. Б. Томпсон показав, що з обмеженої кількості матерії може бути отримана необмежена кількість теплоти.
Виникнення власне термодинаміки починається з роботи С. Карно (сам термін "термодинаміка" введений Б. Томпсоном). Досліджуючи практичну задачу одержання прямування з тепла стосовно до парових машин, він зрозумів, що принцип одержання прямування з тепла необхідно розглядати не тільки стосовно до парових машин, але до будь-яких мислимих теплових машин. Так був сформульований загальний метод рішення задачі - термодинамічний, що заклав основу термодинаміки. Визначаючи коефіцієнт корисної дії теплових машин, Карно увів свій знаменитий цикл, що складається з двох ізотермічних (які відбуваються при постійній температурі) і двох адіабатичних (без припливу і віддачі тепла) процесів. ККД циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла (пари, газу і т.д.) і визначається температурами теплоотдатчика і теплоприймача. ККД будь-якої теплової машини не може бути при тих же температурах теплоотдатчика і теплоприймача вище ККД циклу Карно.
Карно першим розкрив зв'язок теплоти з роботою. Але він виходив із концепції теплороду, що визнавала теплоту незмінної по кількості субстанцією. Водночас Карно вже зрозумів, що робота парової машини визначається загальним законом переходу тепла від більш високих до більш низьких температур, тобто що не може бути безмежного відтворення рушійної сили без витрат теплороду. Таким чином, робота представлялася як результат перепаду теплороду з вищого рівня на нижчі. Інакше кажучи, теплота може створювати роботу лише при наявності різниці температур. За своїм змістом це і складає зміст другого початку термодинаміки. ККД теплової машини виявився залежним не від робочої речовини, а від температури теплоотдатчика і теплоприймача. Все це дозволило Карно прийти до визнання принципу неможливості створення вічного двигуна першого роду (тобто безупинно чинної машини, що, будучи якось запущеної, чинила би роботу без притоки ззовні).
Усвідомлюючи хиби теорії теплорода, Карно зрештою відмовляється від визнання теплоти незмінної по кількості субстанцією і дає значення механічного еквівалента теплоти. Але публікація цього висновку була здійснена вже після визнання закону збереження енергії, тому даний висновок не зіграв тієї ролі. який міг зіграти. будучи опублікованим раніше. Але так чи інакше Карно заклав основи термодинаміки як поділу фізики, що вивчає найбільше загальні властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами. Термодинаміка стала розвиватися на основі фундаментальних принципів або початків, що є узагальненням результатів численних спостережень і експериментів.
б) Перший початок термодинаміки (закон збереження енергії в застосуванні до термодинамічних процесів) говорить: при повідомленні термодинамічній системі (наприклад, пару в тепловій машині) визначеної кількості теплоти в загальному випадку відбувається при збільшенні внутрішньої енергії системи і вона здійснює роботу проти зовнішніх сил. Вище зазначалося, що першим, хто поставив теплоту у зв'язок із роботою, був Карно, але його робота в силу запізнілої публікації не зробила вирішального впливу на формування першого початку термодинаміки. Проте ідея про те, що теплота - не субстанція, а сила (енергія), однієї з форм якої і є теплота, причому ця сила, в залежності від умов, виступає у виді руху, електрики, світла, магнетизму, теплота, що можуть перетворюватися один в одного, існувала в розумах дослідників. Для перетворення цієї ідеї в ясне і точне поняття, необхідно було визначити загальну міру цієї сили. це зробили, незалежно один від одного, Р. Майер, Д. Джоуль і Г. Гельмгольц.
Р. Майер першим сформулював закон еквівалентності механічної роботи і теплоти і розрахував механічний еквівалент теплоти (1842 р.). Д. Джоуль експериментально підтвердив припущення про те, що теплота є формою енергії і визначив міру перетворення механічної роботи в теплоту. Г. Гельмгольц у 1847 р. математично обгрунтував закон збереження енергії, показавши його загальний характер. Підхід усіх трьох авторів закону збереження енергії був різноманітним. Майер відштовхувався більше від загальних положень, пов'язаних з аналогією між "живою силою" (енергією), що одержували тіла при своєму падінні відповідно до закону всесвітнього тяжіння, і теплотою, що віддавали стиснуті гази. Джоуль йшов від експериментів по виявленню можливості використання електричного двигуна як практичного джерела енергії (ця обставина і змушувала його задуматися над питанням про кількісну еквівалентність роботи і теплоти). Г. Гельмгольц прийшов до відкриття закону збереження енергії, намагаючись застосувати концепцію прямування Ньютона до прямування великого числа тіл, які знаходяться під впливом взаємного тяжіння. Його висновок про те, що сума сили і напруги (тобто кінетичною і потенційною енергією) залишається постійної, є формулюванням закону збереження енергії в його найбільш загальній формі. Цей закон - найбільше відкриття XIX століття. Механічна робота, електрика і теплота - різноманітні форми енергії. Д. Бернал так охарактеризував його значення: "Він об'єднав багато наук і знаходився у винятковій гармонії з тенденціями часу. Енергія стала універсальною валютою фізики - так сказати, золотим стандартом змін, що відбувалися у Всесвіті. Те, що було встановлено, являв собою твердий валютний курс для обміну між валютами різноманітних видів енергії: між калоріями теплоти. кілограм-метрами роботи і кіловат-годинами електрики. Вся людська діяльність у цілому - промисловість, транспорт, освітлення і, у кінцевому рахунку, харчування і саме життя - розглядалося з погляду залежності від цього одного загального терміна - енергія. "
в) Другий початок термодинаміки - закон зростання ентропії: у замкнутої (тобто ізольованої в тепловому і механічному відношенні) системі ентропія або залишається незмінною (якщо в системі протікають оборотні, рівноважні процеси), або зростає (при нерівних процесах) і в стані рівноваги досягає максимуму. Існують і інші еквівалентні формулювання другого початку термодинаміки, що належать різним ученим: неможливі перехід теплоти від тіла більш холодного до тіла, більш нагрітому, без яких-небудь інших змін у системі або навколишньому середовищі (Р. Клаузіус); неможливо створити періодично чинну, т. е. здійснювало будь-якої термодинамічний цикл, машину, уся робота якої зводилася б до підняття деякого вантажу (механічній роботі) і відповідному охолодженню теплового резервуара (В. Томсон, М. Планк); неможливо побудувати вічний двигун другого роду, тобто теплову машину, яка в результаті вчинення кругового процесу (циклу) цілком перетворить теплоту, одержувану від якогось одного "невичерпного" джерела (океану, атмосфери і т.д.) у роботу (В. Оствальд).
В. Томсон (лорд Кельвін) сформулював принцип неможливості створення вічного двигуна другого роду, у 1852 році прийшов до формування концепції "теплової смерті" всесвіту. Її суть розкривається в таких положеннях. По-перше, у Всесвіті існує тенденція до марнування механічної енергії По-друге відновлення механічної енергії в старій кількості не може бути здійснено. По-третє, у майбутньому Земля опиниться в непридатному для життя людини стані. Через 20 років Клаузіус приходить до того ж висновку, сформулювавши другий початок термодинаміки у виді: ентропія всесвітом прагне до максимуму. (Під ентропією він розумів розмір, що представляє собою суму всіх перетворень, що повинні були мати місце, щоб привести систему в її теперішній стан.)
Суть в тому, що в замкнутій системі ентропія може тільки зростати або залишатися постійною. Інакше кажучи, у всякій ізольованій системі теплові процеси однонаправлені, що і призводить до збільшення ентропії. Варто ентропії досягти максимуму, як теплові процеси в такій системі припиняються, що означає прийняття всіма тілами системи однакової температури і перетворення усіх форм енергії в теплову. Наступ стану термодинамічної рівноваги призводить до припинення всіх макропроцесів, що й означає стан "теплової смерті".
Для поширення другого початку термодинаміки на інші необоротні процеси було введене поняття ентропії як міри безладдя. Для ізольованих систем (не пропускають тепло) другий початок термодинаміки можна висловити наступним чином: ентропія системи ніколи не зменшується. Система, що знаходиться в стані рівноваги, має максимальну ентропію.
Поняття ентропії зв'язують і з поняттям інформації. Система, що знаходиться в упорядкованому стані, містить багато інформації, а неупорядкована система містить мало інформації. Так, наприклад, текст книги містить багато інформації, а випадковий набір букв не несе інформації. Інформацію тому й ототожнюють із негативною ентропією (або негентропії). При зростанні ентропії інформація зменшується.
Серед множини висунутих проти цього висновку заперечень найбільше відомим було заперечення Максвела. Він виходив з того, що другий початок має обмежену область примірення. Максвел вважав другий початок термодинаміки справедливим, поки ми маємо справу з тілами, що володіють великою масою, коли немає можливості розрізняти в цих масах окремі молекули і працювати з ними. Він запропонував проробити уявний експеримент - уявити собі істоту, спроможне стежити за кожній молекулою у всіх її рухах, і розділити якийсь судину на дві частини перегородкою з маленьким отвором у ній. Ця істота (назване "демоном Максвела"), спроможне розрізняти окремі молекули, буде поперемінно те відчиняти, то закривати отвір таким чином, щоб швидко рухаються молекули могли переходити в іншу половину. У цьому випадку "демон Максвелла" без витрати роботи зміг би підвищити температуру в першій половині судини і понизити в другий всупереч другому початку термодинаміки.
Даний процес асиметричний в часі - без зовнішнього втручання він не може стати оборотним. Тобто безтямно очікувати в цьому випадку, що гази повернуться в початкове положення. Можна сказати, що в природі порядок прагне поступитися місцем безладдя. Проте можна навести приклади, що начебто б суперечать даному принципу зростання ентропії. Так, живі системи у своєму розвитку ускладнюються, що виростають із рідини кристали є упорядоченнее цієї рідини і т.д. Проте повна ентропія системи разом із навколишнім середовищем зростає, тому що біологічні процеси здійснюються за рахунок ентропії сонячного випромінювання і т.д.
Л. Больцман, що почав спробу пояснити, чому порядок поступається місцем безладдя, сформулював H-теорему, що є результатом з'єднання двох підходів до наближення газу до стану рівноваги - макроскопічного (законів ньютонівської механіки, що описують прямування молекул) і мікроскопічного (вихідного з уявлення газу як прагнучого до безладного перерозподілу). З теореми випливав висновок про те, що ентропія може тільки зростати - таке поводження термодинамічних систем у часу.
Проте з Н-теоремою Больцмана виявився пов'язаним парадокс, навколо якого виникла дискусія. Суть полягає в тому, що за допомогою однієї заснованої на механіці Ньютона молекулярної теорії довести постійний ріст ентропії замкнутої системи не можна, оскільки ньютонівська механіка симетрична в часу - будь-який рух атомів, заснований на законах ньютонівської механіки. може бути представлене як відбувається в зворотному напрямку. Оскільки асиметрію не можна вивести із симетрії, то теорема Больцмана (яка на основі лише однієї механіки Ньютона підтверджує, що зростання ентропії асиметричного в часу) не може бути вірною - для доказу необхідно було до законів механіки додати й асиметрію. Так що чисто механічна інтепретація закону зростання ентропії надавалася неспроможної. На це першим звернули увагу Й. Лошмідт і Е. Цермело.
При висновку Н-теореми Больцман крім механіки Ньютона спирався на припущення про молекулярний хаос, що, однак, не завжди вірно. За теорією ймовірності, можливість того, що молекули газу в згаданому раніше судині будуть рухатися не хаотично, а кинуться в якусь одну його половину, не є нульовий, хоча і зникаюче мала. Тому можна сказати, що в принципі можуть бути випадки, коли ентропія убуває, а хаотичне прямування молекул буде упорядковуватися. Таким чином, Н-теорема Больцмана описує механізм переходу газу зі стану з низькою ентропією в рівноважне, але не пояснює, чому це відбувається в одному і тому самому напрямку в часу, а саме з минулого в майбутнє. А раз це так, то больцманівська модель позбавляється тимчасової асиметрії.
Але тимчасова асиметрія - це реальний факт. Упорядкованість реальних систем може виникати за рахунок зовнішніх впливів, а не за рахунок внутрішніх безладних флуктуацій (будинок, наприклад, споруджується будівельниками, а не в результаті внутрішніх хаотичних рухів). У реальності всі системи формуються під впливом навколишнього середовища. Для розрізнення реальних систем, які, відокремлюючись від навколишнього Всесвіту, приходять у стан із низькою ентропією, і больцманівських постійно ізольованих від навколишнього середовища систем, Г. Рейхенбах назвав перші гілкуюються - у їх ієрархії упорядкованість кожній залежить від попередньої. Гілкуюються поводиться асиметрично в часу через схований вплив ззовні. При цьому причина асиметрії - не в самій системі, а у впливі. У реальному світі больцманівських систем немає.
Асиметричні в часі процеси існують і у галузях за межами термодинаміки. Прикладом таких процесів можуть служити хвиля (у тому числі радіохвилі). Так, радіохвилі поширюються від передавача в навколишній простір, але не навпаки. Аналогічно існує справа з поширенням хвиль від кинутого в ставок каменю. Хвилі, що біжать від джерела (припустимо, кинутого в ставок каменю) у різні сторони, називають запізнілими. У принципі можливі і випереджальні хвилі, які можуть виникнути тоді, коли обурення спочатку проходять через віддалену точку, а потім сходяться в місці поширення джерела хвилі. Ізольований ставок є симетрична в часу система, як і больцманівська посудину з газом. Кинутий у нього камінь створює гілкуючу структуру. Радіохвиля ж назад не повернеться, бо поширюється в безмежному просторі. Тут ми маємо справу з необмеженою диссипацией (розсіюванням) хвиль і часток, що собою ще один тип необоротної тимчасової асиметрії. Виходить, утворення розгалужених структур і необоротна асиметрія безкінечного хвилястого прямування роблять необхідним урахування великомасштабних властивостей Всесвітом.
Таким чином, дискусія з приводу другого початку термодинаміки призвів до висновку, що закони мікросвіту ситуацію з "демоном Максвела" роблять нездійсненної, але разом з тим вона сприяла з'ясуванню того, що другий початок термодинаміки є законом статистичним.
г) Третій початок термодинаміки (теорема Нернста): ентропія фізичної системи при прагненні температури до абсолютного нуля не залежить від параметрів системи і залишається незмінною. Інші формулювання теореми: при прагненні температури до абсолютного нуля всі зміни стану системи не змінюють її ентропії; за допомогою кінцевої послідовності термодинамічних процесів не можна досягти температури абсолютного нуля. М. Планк доповнив теорему гіпотезою, відповідно до якої ентропія всіх тіл при абсолютному нулі температури дорівнює нулю. З теореми випливають важливі слідства про властивості речовин при температурах, близьких до абсолютного нуля: набувають нульове значення питомі теплоємності при постійних обсязі і тиску, термічний коефіцієнт розширення і тиски. Крім того, із теореми випливає недосяжність абсолютного нуля температури при кінцевій послідовності термодинамічних процесів.
Якщо перший початок термодинаміки підтверджує, що теплота є форма енергії, що вимірюється механічною мірою, і неможливість вічного двигуна першого роду, то другий початок термодинаміки повідомляє неможливим створення вічного двигуна другого роду. Перший початок увів функцію стану - енергію, другий початок увів функцію стану - ентропію. Якщо енергія закритої системи залишається незмінною, то ентропія цієї системи, що складається з ентропій її частин, при кожній зміні збільшується - зменшення ентропії вважається суперечить законам природи. Співіснування таких незалежних один від одного функцій стану, як енергія й ентропія, дає можливість робити висловлення про теплове поводження тіл на основі математичного аналізу. Оскільки обидві функції стана обчислювалися лише стосовно довільно обраного початкового стану, визначення енергії й ентропії не були досконалими. Третій початок термодинаміки дозволило усунути цей недолік. Важливе значення для розвитку термодинаміки мали встановлені Ж.Л.Гей-Люсаком закони - закон теплового розширення і закон об'ємних відношень. Б. Клапейрон установив залежність між фізичними величинами, що визначають стан ідеального газу (тиском, обсягом і температурою), узагальнене Д. И. Менделєєвим.
Таким чином, концепції класичної термодинаміки описують стани теплової рівноваги і рівноважні (які протікають нескінченно повільно, тому час в основні рівняння не входять) процеси. Термодинаміка нерівноважних процесів виникає пізніше - у 30-х рр.. ХХ століття. У ній стан системи визначається через щільність, тиск, температуру й інші локальні термодинамічні параметри, що розглядаються як функції координат і часу. Рівняння нерівноважної термодинаміки описують стан системи в часі.