Классическая физика
Первый серьезный вызов Аристотелевой физике был сделан в области астрономии. Он начался с критики птолемеевской геоцентрической модели Вселенной. И разработкой гелиоцентрической системы мира Н. Коперником. Сформулированные Коперником постулаты о движении небесных светил вокруг солнца потребовали внести изменения в физику Аристотеля, где признавалась потенциальная бесконечность (бесконечная делимость), но была приемлема актуальная бесконечность (бесконечность большого тела). В мировоззренческом смысле система Коперника знаменовала собой освобождение науки от теологии. Развитие идей о бесконечности Вселенной продолжили Н.Кузанский: у Вселенной нет центра, она потенциально бесконечна, писал он. Дж.Бруно сделал следующий шаг, заявив, что Вселенная бесконечна актуально, а мир и Бог – одно и то же. Но прославила его концепция множественности обитаемых миров. Стремясь опровергнуть Коперника, Т.Браге построил свои звездные таблицы, более точные, чем у Птолемея. А И.Кеплер, используя их, открыл свои законы движения планет вокруг Солнца.
1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
2. каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты изменяется пропорционально времени обращения.
3. квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их расстояний от него.
Созданием своих законов Кеплер положил конец более чем двухтысячелетнему господству догматической веры в совершенство небес и идеи об идеальном круговом движении небесных тел как единственно возможном. Более того, Земля была окончательно «свергнута» со своего пьедестала в центре мироздания.
Г.Галилей был первым ученым, который посмотрел на небо через телескоп (perspicillium), это позволило ему сделать много открытий, обогативших астрономию (спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце, кольца Сатурна, вспышка сверхновой).
Наблюдения Галилея согласовывались с взглядами Коперника и, кроме того, являлись убедительным свидетельством против догмата о разделении мира на небо и Землю. Кроме того, в своей работе «Диалог о двух главнейших системах мира: Птолемеевой и Коперниковой» он приводит доводы в пользу истинности учения Коперника не только астрономические, но и механические.
Опровергая аргументы Птолемея, направленные против утверждения о вращении Земли, Галилей приходит к открытию закона инерции и механического принципа относительности. Открытием закона инерции было опровергнуто многовековое заблуждение Аристотеля о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Оказалось, что прямолинейное и равномерное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил. Это имело огромное, не только чисто научное, но и мировоззренческое значение. Как известно, к инерциальным системам отсчета относятся покоящиеся (неподвижные) системы и системы, которые движутся относительно неподвижных равномерно и прямолинейно. Равноправность таких систем Галилей доказывал различными опытами и логическими рассуждениями, доказывая необходимость применения теории вкупе с практикой.
Именно Галилей впервые обратил внимание на относительность механического движения, сформулировав свой принцип относительности, согласно которому « Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно.
Окончательное формирование новой, классической картины мира произошло благодаря работам великого физика Нового Времени И.Ньютона, поэтому вторую парадигму науки называют ньютоновской.
Им были сформулированы три основных закона движения, имеющие фундаментальное значение.
Первый закон: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят этого состояния.
Второй закон: произведение массы тела на его ускорение равно действующей на него силе F=ma; а направление ускорения совпадает с направлением силы.
Третий закон: действию всегда соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.
Первый и второй законы Ньютона окончательно опровергли учение Аристотеля о силе и движении. Ньютон предельно ясно объяснил, что для поддержания движения сила не нужна. Отсюда - деизм в религии. Основу космологии Ньютона составил закон всемирного тяготения,
F=G 
(где F - сила тяготения, G - гравитационная постоянная, m1m2 – массы взаимодействующих тел, R – расстояние между ними), а также три механических закона движения. Используя математический аппарат созданной им новой физической теории – классической механики, Ньютон вывел из нее законы Кеплера, разработал теорию движения Луны и комет, объяснил механику возникновения приливов, предложил теорию искусственного спутника Земли, предсказал приплюснутую форму Земли. Именно Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел, с общими для всех законами инерции, динамики, действия и противодействия, а также взаимного тяготения. Механика Ньютона стала основой новой физической картины мира – картины мира классической науки.
Окончательное оформление эта картина мира получила к концу XVIII в. в результате трудов блестящей плеяды французских и немецких ученых А.Клеро, М.Эйлера, Ж.Лагранжа, П.Лапласа. И.Кант и Лаплас внесли существенные усовершенствования в классическую картину мира, создав динамическую модель мироздания.
Вторая глобальная естественнонаучная революция, преобразовавшая все естествознание, представляла собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму, а от него – к полицентризму.
К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество считало, что механика Ньютона практически полностью сняла все проблемы научной картины мира, поскольку «систему мира можно создать один раз». В частности, явления переноса теплоты объяснили с помощью механической субстанции – теплорода, были придуманы и другие такие субстанции – электрические и магнитные. Однако положение стало меняться в связи с развитием термодинамики.
Термодинамика.
В середине XIX в. Р.Майер, Дж.Джоуль и Г.Гельмгольц открыли закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики). А.Эддингтон предложил первую научную теорию, объясняющую, что источник энергии звезд – превращение в тепло энергии гравитационного сжатия. В ХХ в. стало ясно, что этот механизм недостаточен (необходимо учитывать поступление в недрах звезд энергии, выделяющейся при термоядерной реакции превращения протонов в ядра гелия). В 1824 г. Сади Карно открыл второе начало термодинамики – закон возрастания энтропии. Используя этот закон, А.Эддингтон сформулировал критерий, определяющий направление времени во Вселенной: стрела времени есть свойство энтропии. Другое следствие из второго начала термодинамики сформулировал Р.Клаузиус, выдвинув гипотезу тепловой смерти Вселенной, в которой предположил, что история мира завершится, когда вследствие продолжающегося роста энтропии он достигнет состояния термодинамического равновесия, т.е. абсолютного покоя. Возникал естественный вопрос, почему до сих пор этого уже не случилось. Л.Больцман, пришедший к выводу о статистическом характере второго закона термодинамики
N.B! Bследствие огромного числа молекул, составляющих макроскопические тела, и чрезвычайной быстроты и хаотичности их движения, мы можем наблюдаем лишь средние значения, а это дело теории вероятностей.
Пытаясь снять этот парадокс, он предположил, что наш мир – не более чем гигантская флуктуация в необъятной Вселенной, которая в целом уже давно мертва. Ответы удалось получить много позже, используя идеи теории самоорганизующихся систем.
Отмеченные выше открытия обогатили классическую картину мира. По словам Гельмгольца, научное познание мира будет завершено по мере того, как будет выполнено сведение явлений природы к простым силам и будет доказано, что это единственно возможное сведение, которое допускают явления.
Электродинамика.
К середине XIX в. физика электрических и магнитных явлений достигла определенного завершения. Француз Ш.Ф. Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются». Важным шагом в изучении электрических явлений стало изобретение в 1745 г. лейденской банки, благодаря которому физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Был открыт ряд важнейших законов Кулона.
N.B! Основной закон электростатики — закона Кулон – гласит, что электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния, т.е. так же, как гравитационная сила.
Среди многих ярких открытий этого времени — изобретение А. Вольта источника постоянного тока (вольтов столб). Выявляется способность электричества вызывать химические действия, зарождается электрохимия. В это же время намечаются две основные концепции в понимании электрических и магнитных явлений — дальнодействия и близкодействия. Природа электричества частично прояснилась.
N.B! Многие исследования в этой области и многих других принадлежат М.В.Ломоносову. Он впервые высказал мысль о связи электрических и световых явлений, об электрической природе северного сияния, защищал волновую теорию света. Он разработал и прочитал необычный курс физической химии, заложив фундамент новой науки. Он также является одним из основоположников кинетической теории теплоты и газов, выяснив закон сохранения материи и движения, впервые предсказал существование абсолютного нуля температуры. Он оставил после себя большое количество идей, которые осуществлялись наукой в течение 100-150 лет после его смерти. Например, опыт двойного преломления луча в электрическом поле, проведенный позднее Керром (эффект Керра) и эффект магнитного и электрического взаимодействия, осуществленный позже лордом Кельвином и У.Томсоном в абсолютном электрометре.
Девятнадцатое столетие ознаменовалось огромными успехами в исследовании природы электричества и магнетизма. Первоначально электрические явления – искры, молнии, свойства лейденских банок накапливать заряд – считались совершенно не связанными с явлениями магнетизма, наблюдаемыми в минералах некоторых видов, в поведении стрелки компаса и т.д. однако датский физик Эрстед и французский физик Ампер продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер по существу стал творцом новой науки – электродинамики.
N.B! Ампер заметил, что магнитные явления происходят только тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности он вводит понятие силы тока, поэтому неслучайно единица силы тока носит его имя – ампер. С помощью своего учения о круговых токах он сводит магнетизм к электричеству. Ампер формулирует до сих пор неизвестный закон о взаимодействии токов. В работе «Теория электродинамических явлений, выведенная из опыта» им была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов.
Все эти законы базировались на принципе дальнодействия.
N.B! Принцип дальнодействия гласит, что если тело А, находящееся в точке а, действует на другое тело В, то тело В, находящееся в точке Ъ, испытывает это воздействие в тот же момент. Принцип дальнодействия утвердился как способ передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью.
Исключением были взгляды М.Фарадея, который, приняв эстафету от Эрстеда и Ампера, сформулировал закон электромагнитной индукции (возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита), отталкиваясь от принципа близкодействия (электрическое действие передается посредством непрерывной среды). Исследуя диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях.
Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль как и сам магнит
Обобщая открытия К.Эрстеда и М.Фарадея, К.Максвелл устанавливает органическую связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на идеях, высказанных Фарадеем, Максвелл вводит понятие электромагнитного поля.
Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частица окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой. Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой – напряженностью поля в этой точке.
Теория электромагнитного поля (полевая концепция) ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.
N.B! Для того, чтобы объяснить взаимодействие электромагнитных волн с веществом, немецкий физик Гендрик Антон Лоренц выдвинул гипотезу о существовании электрона, т.е. малой заряженной электрически частички, которая в громадных количествах присутствует во всех весомых телах. Эта гипотеза объяснила открытое в 1896 году немецким физиком П.Зееманом явление расщепления спектральных линий в магнитном поле. Впоследствии в 1897 г. У. Томсон (лорд Кельвин) экспериментально подтвердил наличие мельчайшей заряженной частицы электрона. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).
Максвелл сформулировал законы электромагнетизма, подведя теоретический базис под опыт явлений электромагнетизма. Комбинируя уравнения электромагнитного поля, Максвелл получает волновое уравнение, из которого следовало, что в пустоте должны распространяться электромагнитные волны, скорость распространения которых в воздухе равна скорости света. Отсюда был сделан вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн. Спустя 20 лет (в1888г.) Г.Герц экспериментально доказал существование этого явления, осуществив передачу и прием электромагнитных волн очень большой длины - радиоволн. При этом возник вопрос, что является носителем электромагнитного поля.
N.B! Сегодня мы имеем дело с целым набором электромагнитных волн, длина которых варьирует от значений очень маленьких (1/1000000000000м) и до многих километров. Все вместе они составляют электромагнитный спектр. Это и гамма-, и рентгеновские лучи, ультрафиолетовые излучения, видимый свет, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение. Излучения всех видов распространяются в вакууме, со скоростью света и имеют одну и ту же природу.
Трудно представить какую-либо волну без среды, в которой она могла бы распространяться. Звуковые волны распространяются в различных материальных средах: воздухе, воде, твердом теле. Поверхностные волны движутся по поверхности волны. В какой же среде распространяются электромагнитные волны?
Максвелл возродил старую идею о существовании эфира, заполняющего пространство, который и должен был служить носителем электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, рассматривалась как абсолютный критерий состояния покоя и отождествлялась с абсолютным пространством.
Субстанция, осуществляющая взаимодействие электромагнитных волн с веществом, должна была тогда обладать парадоксальными свойствами: передавая свет и другие электромагнитные волны, она должна быть абсолютно твердой, т.к. скорость света велика, и одновременно она не должна оказывать никакого сопротивления движению небесных тел. Кроме того, она должна быть абсолютно прозрачной. Чтобы внести ясность в эти вопросы, надо было опытным путем решить вопрос о существовании эфира.
Попытку осуществили А.Майкельсон и Э.Морли. Воспользовавшись обстоятельством, что уравнения Максвелла неинвариантны относительно системы отсчета, они осуществили интерферометрическое сравнение пучков света, распространявшихся поперек движения Земли и вдоль него. Опыт Майкельсона-Морли показал, что никакой зависимости скорости света от направления в движущейся системе координат нет. Сторонник сохранения уравнений Максвелла Г.Лоренц, привязав эти уравнения к эфиру как абсолютной системе отсчета, пожертвовал принципом относительности Галилея, его преобразованиями (принцип сохранения скоростей и сохранения временных и пространственных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой – галилеево преобразование) и сформулировал свои преобразования, из которых следовало, что пространственные и временные интервалы неинвариантны (не сохраняются) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Из них видно, что должен меняться и темп хода времени при переходе. Существование абсолютной среды – эфира – не подтверждалось. Постепенно становилось ясно, что никакой эксперимент не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира. Возникала еще одна проблема. Если законы механики верны во всех инерциальных системах отсчета (ИСО – системы отсчета, в которых свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения; система отсчета называется неинерциальной, если она движется с ускорением относительно выбранной ИСО), то для электродинамики Максвелла это правило как будто не подходит. Почему?
На этом проблемы классической картины мира не закончились. Из термодинамики и законов электромагнетизма следовало, что максимальная интенсивность излучения черного тела должна приходиться на коротковолновую область спектра. Но эксперимент дал прямо противоположный результат: в этой области наблюдался минимум излучения. Столь резкое расхождение теории с экспериментом получило название «ультрафиолетовой катастрофы».
Ультрафиолетовая катастрофа и неудача опыта Майкельсона-Морли были теми облачками на ясном небосклоне физики, из которых очень скоро родились квантовая механика и теория относительности. Переход к квантово-механической картине мира позволил снять противоречия, возникшие с связи с «ультрафиолетовой катастрофой». Неудача же опыта Майкельсона-Морли по поиску эфира стала понятной лишь в результате создания А.Эйнштейном теории относительности.
Специальная теория относительности.
В 1905 г. Альберт Эйнштейн, служащий Швейцарского патентного бюро, опубликовал работу о специальной теории относительности, в корне изменившей представления о пространстве и времени, а также разрешившей проблемы электродинамики. В ней получил дальнейшее применение установленный еще Галилеем принцип относительности в механистическом движении.
N.B! Галилей сформулировал ряд фундаментальных принципов классической механики:
1) принцип инерции, согласно которому, когда тело двигается по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлений движению, движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца;
2)принцип относительности, согласно которому в инерциальных системах отсчета все законы механики одинаковы и нет возможности, находясь внутри, определить, движется она прямолинейно и равномерно или покоится;
3)принцип сохранения скоростей и сохранения временных и пространственных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой. Это знаменитое Галилеево преобразование.
Теория Эйнштейна основывалась на двух постулатах:
1.Принцип относительности: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов.
2.Скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчета.
Первый постулат означает, что равномерное и прямолинейное движение такой лабораторной системы никак не отражается на результатах проводимых в ней опытов, если она не ускоряется и не вращается. Принцип относительности устранил различия в проявлении законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы отсчета и отбросил как ненужную идею о неподвижном эфире ньютоновского абсолютного пространства.
Второй постулат означает, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях и равна 300 тыс. км/с. Вселенная устроена так, что все наблюдатели должны получить в результате своих измерений одну и ту же скорость света.
Выводы из положений специальной теории относительности:
1. Сокращение длины. Как отмечал Лоренц, движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Если космический корабль проносится с большой скоростью мимо находящегося в неподвижном состоянии наблюдателя, то этому наблюдателю длина корабля покажется короче действительно на величину, зависящую от скорости корабля. Чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным этот эффект, и если бы корабль мог двигаться точно со скоростью света, его наблюдаемая длина была бы равна нулю.
2. Замедление времени. В быстро движущемся корабле время течет медленнее, чем в лаборатории неподвижного наблюдателя. Если бы наблюдатель, находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей на большой скорости ракете, то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее, его собственных. Если бы ракету можно было бы разогнать до скорости света, то для «покоящегося» наблюдателя время внутри нее остановилось бы. Эффект замедления времени касается буквально всего, включая процессы и даже биологические ритмы экипажа. Другими словами, с точки зрения земного наблюдателя члены космического корабля стареют медленнее, чем их космические двойники. Если один из двух близнецов совершит космическое путешествие со скоростью света, то по возвращении на Землю он обнаружит, что оставшийся дома его брат стал гораздо старше его самого (парадокс близнецов). Эффект замедления времени подтвержден многими экспериментами с космическими лучами.
3. Увеличение массы. Пытаясь согласовать со специальной теорией относительности второй закон Ньютона, Эйнштейн обнаружил еще одно следствие своей теории: масса тела зависит от скорости его движения. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше становится его масса, и если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла до бесконечности. Отсюда следует, что никакое тело с отличной от нуля массой нельзя разогнать до скорости света, так как для этого потребуется бесконечная энергия.
В том же 1905 году была опубликована небольшая заметка Эйнштейна, где автор находит связь между массой и энергией. «Масса тела есть мера содержащейся в ней энергии», заключает он. Так появляется знаменитое соотношение
Е= mc2 ,
Где Е – полная энергии тела, m – его масса покоя, с – скорость света.
N.B! Ключевой момент специальной теории относительности состоит в том, что никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе был бы нарушен фундаментальный закон причинности: причина всегда предшествует следствию. Во вселенной тогда нарушилась бы логическая связь событий: они стали бы абсолютно случайными и непредсказуемыми. По-видимому, для нас совсем не плохо, что информация не распространяется быстрее скорости света.
Мы знаем, что окружающий нас мир имеет три измерения. Принимая точку зрения Ньютона, мы представляем себе время как независимо существующий, непрекращающийся, ровно текущий поток. Но специальная теория относительности утверждает, что время нельзя рассматривать как нечто отдельно взятое и неизменное. В 1907 г. немецкий математик Г.Минковский высказал предположение, что три пространственные координаты и одна временная размерность тесно связаны между собой. Все события во Вселенной должны происходить в четырехмерном пространстве-времени. Эйнштейн быстро оценил преимущества пространственно-временного континуума. Это была настоящая революция в нашем понимании пространства, времени и Вселенной. Но это была не единственная революция в физике начала ХХ века. Примерно в то же время в корне изменились представления о природе излучения и вещества. Это было и время становления квантовой теории или квантовой физики.