4. Общая теория относительности.

Главным недостатком СТО было то, что ее принципы выполнялись только для инерциальных систем, которых в природе найти практически невозможно. Иными словами, СТО это частный случай общего закона движения тел. В связи с этим и возникла проблема: построить такую общую физическую теорию, в которой законы природы были бы верны относительно любых систем отсчета, а не только инерциальных. Главным камнем преткновения стал поиск связывающего звена для обоих видов систем (инерциальной и неинерциальной) – сила тяжести, образующая поле тяготения (по своим физическим параметром сходно с электромагнитным полем, но отличается только тем, что зависит от массы тела).

При этом необходимо разграничивать две ситуации: 1) тела с небольшой массой порождают слабые поля тяготения, поэтому они не оказывают какого-либо влияния на окружающее пространство (в этом случае можно использовать принципы СТО и евклидовую геометрию); 2) тела с большой массой создают вокруг себя сильное поле тяготения, искривляющее пространство (ОТО и неевклидовая геометрия).

Таким образом, было установлено, что пространство и время существуют не сами по себе, а находятся в тесной универсальной взаимосвязи друг с другом и с материей, выступая как относительные стороны единого и неделимого пространства-времени. ОТО доказала, что структура и геометрические свойства четырехмерного континуума изменяются под воздействием масс вещества и поля тяготения, которое порождается этими массами.

Экспериментальным подтверждением ОТО стал эффект искривления светового луча, который наблюдался во время солнечного затмения в 1919 г. С точки зрения классической механики световой луч в инерциальной системе будет распространяться по прямой линии. ОТО заявляла, что в неинерциальных системах траектория светового луча будет криволинейна. Полное солнечное затмение в 1919 г. полностью подтвердило этот вывод ОТО. Таким образом, в поле сильного тяготения Солнца скорость света не постоянна, а меняется от одной точки к другой.

Тема №4. «От дискретности и непрерывности к корпускулярно-волновому дуализму»

План:

1. Становление учения о строении атомов.

2. Создание квантовой механики.

3. Возникновение теории элементарных частиц.

1. Становление учения о строении атомов.

Первые представления об атомах возникли в трудах древнегреческих натурфилософов – Демокрита, Эпикура, Левкиппа и др. По мнению этих ученых, атомы представляют собой мельчайшие частички мироздания, они вечны, едины и неделимы, постоянно движутся в пустоте. Такое суждение об атомах просуществовало вплоть до конца XIX в.

На рубеже XIX-XX вв. появились данные многочисленных экспериментов, которые опровергли древнегреческое представление об атомах. Прежде всего, это открытие явления радиоактивности радия и урана – в естественных условиях они способны испускать радиоактивные лучи и в результате превращаться в другие химические элементы. Подобное явление подвергло сомнению тезис о вечности атомов – они могут изменяться.

В1897 г. английский физик Д. Томсон, изучая атом, открыл электрон (первая элементарная частица). Тем самым, был опровергнут еще один миф – о неделимости атома. На основании результатов своих исследований Д. Томсон создал первую модель строения атома: атом – это сгусток материи, в который, как изюм в пудинг, вкраплены электроны.

В 1913 г. Э. Резерфорд провел следующий опыт – он подверг атом бомбардировке положительно заряженными альфа-частицами, которые испускаются радиоактивными элементами. В процессе эксперимента наблюдалось следующее явление – вдали от центра атома альфа-частицы не изменяли своей траектории движения, а вблизи – отталкивались, что свидетельствовало о нахождение в центре атома некоей положительно заряженной структуры. Таким образом, Э Резерфорд открыл ядро атома, что легло в основу второй планетарной модели строения атома. Суть – вокруг положительно заряженного ядра по своим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны (подобное строение имело сходство со строением Солнечной системы, поэтому модель получила название планетарной).

Новая теория строения атома встретила критику со стороны датского ученого Н. Бора (1885-1962), который указал на противоречие между планетарной моделью и принципами электромагнитной теории. С точки зрения законов Дж. Максвелла, электрический заряд, двигаясь с ускорением, должен постоянно излучать энергию. Вследствие того, что электрон движется вокруг ядра (это движение с ускорением), он также должен подчиняться этим законом и в результате, растратив всю свою энергию, упасть на ядро и уничтожить, тем самым атом. Однако все результаты исследования строения атомов опровергают подобное суждение, т. к. атом представляет собой достаточно прочную структуру, которую очень тяжело разрушить. Таким образом, принципы электромагнитной картины мира не могли объяснить планетарную модель строения атома. С целью преодоления возникшего противоречия Н. Бор вносит изменения в модель Э. Резерфорда – постулаты Н. Бора:

1 постулат – в атоме существуют стационарные орбиты, двигаясь по которым, электроны не излучают энергии.

2 постулат – при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую он либо излучает (если это переход на более дальнюю от ядра орбиту), либо поглощает (если на близкую от ядра орбиту) энергию, которая равна одному фотону или кванту.

После того, как постулаты Н. Бора получили экспериментальное подтверждение в результате опытов Г. Герца и Д. Франка, модель строения атома Резерфорда-Бора нашла всеобщее научное признание.

Очевидным недостатком этой модели было сохранение ее связи с механистической картиной мира, в рамках которой она была создана. Механистическая парадигма не могла объяснить, например, почему энергия излучается не в виде электромагнитных волн (непрерывных по своему характеру), а в виде частичек или фотонов (дискретных по своей природе). Подобные несогласованности требовали пересмотра классических физических представлений о материи. В результате в рамках новой неклассической физики появились новая наука – квантовая механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волны и частицы, неопределенности (неточности) и дополнительности, а вместо универсальных законов прежней физики стала широко применять статистические законы и вероятностные методы исследования.