МЭИ(ТУ) Физика

новой теории должно предшествовать создание новой картины мира или хотя бы первых основных ее понятий, опирающихся на философские идеи.

При этом важно отметить, что резкое разграничение роли эксперимента и теории не соответствует истинному ходу развития физики, где наблюдается "картина взаимного переплетения эмпирии и теории" [6]. Стимулом для возникновения теории Максвелла были отнюдь не новые экспериментальные факты [7]. Здесь происходило то, что называют "самодвижением" теории. Кроме того, из теории Максвелла, в порядке дедукции, вытекали с необходимостью предсказания, новых экспериментальных фактов, которые впоследствии блестяще подтвердились.

После своего возникновения теория Максвелла способствовала признанию и дальнейшему расширению электродинамической картины мира. В особенности важным в этом плане было создание теории света как раздела электродинамики. Работы Г. Герца убедительно доказывали необходимость замены механических представлений о природе электродинамическими.

Однако построение электродинамический картины мира на этом не завершилось. Во-первых, надо было выяснить вопрос о соотношении новой картины мира с механическими теориями (механика, термодинамика и статистическая физика) и попытаться построить соответствующие теории строения вещества и излучения. Во-вторых, из самой электродинамической картины мира надо было устранить устаревшие механические представления, не согласующиеся с ее основными положениями.

Первая из этих задач была поставлена в электронной теории Лоренца, а разрешение второй привело к теории относительности Эйнштейна.

Электронная теория возникла в результате объединения идей механики, кинетической теории материи и максвелловской теории поля. Однако, несмотря на свое блестящее эмпирическое и теоретико-математическое обоснование, теория Лоренца страдала одним существенным недостатком: ее основание не опиралось на какие-либо принципиально новые философские идеи о материи и движении, пространстве и времени, взаимосвязи и взаимодействии. Приверженность Г. А. Лоренца к метафизико-материалистическим представлениям о природе явилась причиной его оппозиции по отношению к теории относительности. Это тем более поразительно, что именно Лоренц получил ряд важнейших математических соотношений, лежащих в основе этой теории. Но, находясь на старых позициях метафизического материализма, он не придал своим преобразованиям должного значения, не осознал их подлинного физического смысла. В течение более чем двадцати лет он пытался истолковать

формулы перехода от одной инерциальной системы к другой в духе классической физики и не смог справиться с возникшими трудностями.

Анализ трудностей в построении электродинамики движущихся" сред наглядно показывает, что для появления теории относительности необходимо было расширение физической картины мира.

Если при построении электродинамики Максвелла и электронной теории Лоренца исходные положения

этих теорий еще можно было привести в какое-то, хотя бы внешнее соответствие со старыми основами, то при построении теории относительности это оказалось невозможным.

Вуказанном отношении теория относительности занимает среди физических теорий особое место. Она явилась первой теорией, указавшей на принципиальную ограниченность классических представлений о пространстве и времени и на возможность построения физической теории на иной, более широкой основе. Заслуга А. Эйнштейна как раз и состоит в том, что он решительно порвал со старыми представлениями о пространстве, времени, движении и ввел в электродинамическую картину мира новые, ей соответствующие представления. Таким образом, расширение электродинамической картины мира было всеми воспринято как крушение механицизма.

Критическое отношение Эйнштейна к метафизическим основам механической картины мира является одной из важнейших философских предпосылок создания теории относительности. Эйнштейн хорошо понимал, что Фарадей и Максвелл заложили "новую надежную основу для всей физики" и что "революцию, начатую введением поля, никак нельзя считать оконченной" [8]. Революция заключалась не только в том, чтобы заменить механическую картину мира электродинамической, но и в том, чтобы доработать электродинамическую картину мира.

Воснове такой доработки, как уже указывалось, лежали новые философские взгляды на природу. В расширенной электродинамической картине мира поле стало рассматриваться, как вид материи.

Элементы расширенной электродинамической картины мира вошли в основание теории относительности, явившись вместе с тем ее теоретическими предпосылками. Специальная теория относительности оказала, в свою очередь, влияние на электродинамическую картину мира, вскрыв ее подлинную релятивистскую сущность, которая в теории Максвелла оставалась невыясненной.

Однако уже в начале XX века возникло несоответствие между электродинамической картиной мира и новыми открытиями физики. Это несоответствие положило начало третьей в истории физики картины мира - квантово-полевой, на основе которой возникли две принципиально новые теории:

теория излучения Планка-Эйнштейна и теория атома Резерфорда-Бора. Согласно квантовой картине мира, сложившейся в 20-30-е годы XX века, мир рассматривается как единая всеобъемлющая квантовая система, некоторые элементы которой могут обладать релятивистскими свойствами.

Квантово-полевая картина мира способствовала бурному развитию в первой половине XX века теоретической физики, в частности, разработке различных приложений квантовой теории излучения, построению квантовой электродинамики и.т. д. Подробнее особенности квантово-полевой картины

мира рассмотрены в методических указаниях по методологическим и мировоззренческим вопросам в курсе основ атомной физики, элементов квантовых статистик, физики твердого тела, атомного ядра и элементарных частиц.

Переход от одной физической картины мира к другой связан обычно с периодом кризиса в физике, при котором существует противоречие между достижениями физики и способом мышления, обусловленным устаревшей картиной мира. Здесь проявляется общее диалектическое положение о роли формы и содержания в процессе развития. "С одной стороны, постепенное накопление новых эмпирических фактов (т. е. накопление нового содержания) приводит к формированию новых теорий (возникновение новой формы); с другой стороны, выдвижение новых понятий, гипотез и принципов, необходимых для построения новых теорий (изменение содержания) в конце концов приводит к противоречию между этим новым содержанием и старой формой - картиной мира. Между старой формой и новым содержанием назревает конфликт, приводящий к революционному изменению физического знания: старая форма - старая картина мира, тормозящая развитие науки, - отбрасывается, новая форма - новая картина мира - возникает, т. е. происходит смена физических картин мира, переход от одного этапа физического познания к другому". [9].

Идеалисты смену одних представлений, гипотез и теорий - другими, новыми, нередко склонны считать доказательством произвольности, субъективности вообще всяких гипотез и теорий и на основании этого утверждать, что отсутствует объективная истина. Однако исторически условны пределы приближения наших знаний к объективной, абсолютной истине. Но безусловно существование этой истины, безусловно то, что мы приближаемся к ней.

2.Электростатика

Сэлектростатики начинается изложение электродинамики, т. е. того раздела общего курса физики, в котором впервые, более или менее серьезно, с соответствующим математическим аппаратом

используется понятие поля со всеми вытекающими отсюда методологическими и мировоззренческими проблемами. При этом первое знакомство с полем начинается с поля электростатического. Однако, еще до введения понятия электростатического поля, говоря о законе Кулона, разумно обратить внимание студентов на некоторые обстоятельства.

Закон Кулона, как и всякий фундаментальный экспериментальный закон глубже того, что дает непосредственно опыт. Действительно, закон Кулона говорит о взаимодействии "точечных" зарядов, находящихся в вакууме. Но любой реальный эксперимент проводится с конкретными заряженными телами, которые при любых малых размерах обладают определенной формой и определенным образом ориентированы друг относительно друга. Эти тела находятся не в вакууме, а в конкретной среде, например, в воздухе. Таким образом, закон Кулона в его обычной формулировке представляет собой экстраполяцию опыта или серии конкретных опытов на более общие, более "чистые" условия.

Такая идеализация опыта и обобщение его результатов - обязательная ступень в процессе познания. Именно таким путем исследователь выделяет в окружающих его предметах и явлениях общее, закономерное, отвлекаясь от единичного, случайного. И именно к таким упрощенным и схематизированным объектам возможно применение математического аппарата, возможно решение одной из главных задач естествознания - отыскание, определение одних характеристик изучаемого объекта на основании измерения других.

Правильность такого обобщения проверяется, конечно, практикой, опытом. Но не просто повторением опыта, позволяющего измерить силу взаимодействия двух заряженных тел, а опытной проверкой тех теоретических выводов, основанием для которых является рассматриваемый закон, в данном случае закон Кулона.

К таким теоретическим выводам следует, например, отнести теорему Остроградского-Гаусса. Именно связь теоремы Остроградского - Гаусса с геометрическими свойствами пространства (пропорциональность площади сферы квадрату ее радиуса) и законом Кулона, согласно которому сила

электростатического взаимодействия двух точечных зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, приводит к тому, что поток напряженности электростатического поля

точечного заряда через любую охватывающую его поверхность не зависит от формы и размеров последней.

Теорема Остроградского - Гаусса приводит также к выводу, что внутри проводника, в условиях "чистой" электростатики, не будет зарядов - все заряды обязательно распределяются на внешней поверхности проводника.

Опытное подтверждение этого факта принадлежит к числу достаточно наглядных и широко распространенных лекционных демонстраций. Показывая эту демонстрацию при изучении свойств проводников, интересно, по-видимому, провести данную цепь рассуждений, акцентируя внимание студентов на том, что именно проверяет и подтверждает данный опыт.

Рассматривая закон сохранения электрического заряда, необходимо еще раз (впервые это делается в механике) подчеркнуть основополагающее значение законов сохранения в физике, так как эти законы выражают самые коренные физические свойства окружающего нас мира. Законы

сохранения являются конкретным проявлением объективно существующего всеобщего закона сохранения материи и движения. Они убедительно свидетельствуют о материальности мира, о вечности его существования в пространстве и времени и о неразрывном единстве материи и движения, являющегося неотъемлемым свойством (атрибутом) материи. Законы сохранения противоречат представлениям идеалистической философии о "первотолчке" и "сотворении мира".

Как и другие законы сохранения, закон сохранения электрического заряда служит инструментом нашего познания. Он позволяет анализировать и обобщать новые экспериментальные данные, а также теоретически исследовать возможность протекания тех или иных физических процессов. Следует также подчеркнуть сохранение и инвариантность электрического заряда в теории относительности.

В связи с вопросом об атомности электрического заряда следует упомянуть об опытах академика А. Ф. Иоффе (1912) и американского физика Г. Милликена (1909-1914).

Начиная разговор об электростатическом поле, следует повторить определение поля ("физического поля"), как формы материи, осуществляющей силовое взаимодействие между частицами.

Электростатическое поле - материальный носитель электростатического (кулоновского) взаимодействия, т. е. взаимодействия между электрически заряженными неподвижными частицами и телами. Далее стоит остановиться на историческом развитии самого понятия поля. Существенно, что теория дальнодействия не отвергала понятия поля, но для нее поле служило как бы сокращенным обозначением пустого пространства, в котором могут проявляться дальнодействующие силы. Носителем же атрибутов физической реальности (массы, энергии, импульса, силы и т. п.) в этой концепции были тела. При отсутствии хотя бы одного из взаимодействующих тел отсутствовали и силы, и энергия, т. е. физическое поле не имело самостоятельного существования.

В теории близкодействия так, как она сложилась первоначально, взаимодействие осуществлялось посредством изменения состояния промежуточной среды - мирового эфира. При этом все атрибуты физической реальности приписывались уже не только взаимодействующим телам, но и эфиру, а все электромагнитные явления сводились к механическим перемещениям и упругим натяжениям эфира.

Следующий шаг в развитии физического поля был сделан после того, как было показано, что эфир не является и не может являться абсолютной системой отсчета, что создало основание для утверждения самостоятельного существования физического поля. Особенное развитие эти взгляды получили в теории свободного электромагнитного поля (электромагнитные волны), которое, будучи создано, может существовать и распространяться вне зависимости от породивших его источников. Такое электромагнитное поле наравне с веществом является носителем энергии и импульса. Однако в пределах электростатики никаким - ни действительным, ни мысленным - опытам нельзя доказать этого, нельзя оторвать поле от создающих его заряженных тел. Об этом следует, по-видимому, сказать и тогда, когда впервые идет разговор об электростатическом поле и, особенно, при рассмотрении энергии электростатического поля.

Энергия поля непрерывно распределена по всему его объему, т. е. по всему пространству, где есть поле. На примере электростатического поля системы точечных зарядов разумно обратить внимание студентов на диалектическое единство противоположностей - непрерывности в пространстве поля и дискретности порождающих его заряженных частиц.

При рассмотрении электрического (а позднее и магнитного) поля в веществе используется статистический метод, основанный на молекулярно-кинетических представлениях о строении вещества. Диэлектрики в целом имеют электрические свойства, отличные от электрических свойств каждой молекулы в отдельности. В частности, в отсутствие внешнего поля диэлектрик, состоящий из полярных молекул, не создает поля, хотя каждая молекула представляет собой диполь, т. е. заведомо создает собственное электрическое поле.

Это - пример того, что коллектив, состоящий из большого числа объектов, обладает качественно другими свойствами, чем каждый объект в отдельности. Успешная разработка теории электрических и

магнитных свойств вещества является убедительным подтверждением плодотворности сочетания

статистического и феноменологического методов исследования явлений.

Изучение поведения диэлектриков в электростатическом поле и электростатического поля в среде обычно проводят в такой последовательности: теория строения диэлектриков; предсказание поведения диэлектриков в электростатическом поле, основанное на изложенной теории; определение и расчет количественных характеристик, как-то: поляризованности (вектора поляризации),

электрической восприимчивости и относительной диэлектрической проницаемости,

напряженности результирующего усредненного поля в среде; опытная проверка. Сопоставление

опытных данных с исходными теоретическими представлениями позволяет проверить правильность этих представлений и глубже проникнуть в сущность рассматриваемых физических явлений и закономерностей.

3. Постоянный электрический ток

Программа курс4. Электромагнетизм а общей физики в технических вузах предлагает изучить таки

законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме и получить выражение для этих законов на основе электронной теории электропроводности металлов. Эта теория является конкретным приложением кинетической теории к электронам проводимости в металлах, т. е. основывается на представлении о движении, как неотъемлемом свойстве материи. В становлении этой теории

решающую роль сыграли опыты Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913), Стюарта и Толмена (1916), которые позволили выяснить, что материальными носителями тока в металлах являются электроны.

Существенно подчеркнуть студентам, что электрический ток является примером процесса,

протекающего в неравновесной системе и обусловленного отклонением системы от равновесного состояния. На примере электронной теории металлов следует показать студентам, что на каждой

ступени процесса познания человечеством объективных законов окружающего нас мира наши познания всегда являются неполными, относительными. Так, классическая электронная теория позволила теоретически объяснить заколы Ома, Джоуля-Ленца и Видемана- Франца. Эта теория оказалась очень полезной в физике газовой плазмы. Однако она встретилась с непреодолимыми трудностями в истолковании теплоемкости металлов, зависимости их удельной электропроводности от температуры и др.

Следующим шагом в развитии теории электропроводности металлов явилась квантовая теория, начало которой было положено работами Я. И. Френкеля (1924), А. Зоммерфельда (1928), Ф.

Блоха и др. Естественно, что и эта более совершенная теория не является истиной в последней инстанции.

В этом месте целесообразно подчеркнуть опасность вульгаризации роли практики в качестве критерия истины. Согласие теории с ограниченным кругом экспериментальных фактов еще не является гарантией ее правильности. Вместе с тем противоречие между теорией и экспериментом свидетельствует о необходимости либо усовершенствования теории, либо замены ее новой теорией.

При изложении закона Джоуля - Ленца необходимо подчеркнуть, что он описывает процесс преобразования энергии упорядоченного движения носителей тока, образующих электрический ток, в энергию беспорядочного теплового движения частиц проводника. Поэтому закон Джоуля - Ленца является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, выражающего вечность движения материи.

4.Электромагнетизм

Вэлектромагнетизме большое число экспериментальных фактов может быть объяснено одинаково успешно как на основе концепций дальнодействия, так и на основе теории близкодействия, использующей представление об электромагнитном поле.

Концепция дальнодействия соответствовала ньютоновской теории тяготения (сам Ньютон, как известно, сомневался в возможности дальнодействия, но из осторожности не ввел понятие о каком-то промежуточном агенте). Поэтому Ампера, сделавшего наиболее фундаментальный вклад в основанную на понятии дальнодействия теорию электромагнитных явлений, называли "Ньютоном электричества".

При обсуждении природы магнетизма следует остановиться на теории Ампера, основанной на высказанной им гипотезе молекулярных токов, согласно которой магнитные свойства вещества обусловлены замкнутыми электрическими токами в молекулах. Тем самым Ампер высказал гипотезу об электрической природе магнетизма, материальным носителем которого должны быть движущиеся электрические заряды.

Необходимо упомянуть об опытах наших соотечественников: А. Ф. Иоффе (1911) по измерению магнитного поля, создаваемого пучком электронов, и А. А. Эйхеивальда (19011904) по измерению магнитного поля конвекционного тока.

Согласно современным представлениям магнитное поле является формой материи, осуществляющей взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, проводниками с током и постоянными магнитами. Магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу с силой, которая прямо пропорциональна заряду и скорости частицы и зависит от направления движения частицы.

Открытие, после 10-летних неудачных попыток, М. Фарадеем (1831) явления

электромагнитной индукции было блестящим экспериментальным подтверждением идеи Фарадея о существовании взаимосвязи между электрическим и магнитным полями. Соответственно закон Ленца для направления индукционного тока (1833) является выражением закона сохранения и превращения энергии применительно к явлению электромагнитной индукции.

Можно указать студентам, что Фарадей отверг представления о материи, сложившиеся в механической картине мира. С его точки зрения материя "сплошь непрерывна, и рассматривая массу ее мы не должны предполагать различия между ее атомами и промежуточным пространством" [12]. Им, по существу, заложены основы новой, электродинамической картины мира, по отношению к которой

заслуги Фарадея таковы же, какими были заслуги Галилея по отношению к механической картине мира в механике.

Идея поля, зародившаяся в работах Фарадея, расширяющая конкретно-физические представления о материи и положенная в основу электродинамической картины мира, является

одной из важнейших идей в физике второй половины XIX века и, вместе с тем, одной из важнейших предпосылок теории Максвелла.

К сожалению, по ряду дидактических соображений мы вынуждены вводить понятие электрического поля еще в электростатике, что не соответствует историческому пути развития электродинамики.

Дальнейшее развитие физики блестяще подтвердило идеи Фарадея о существовании материального носителя электрического и магнитного взаимодействия. Только этим носителем оказался не всепроникающий мировой эфир, а электромагнитное поле, представляющее собой единство электрического и магнитного полей.

В связи с релятивистским истолкованием магнитного взаимодействия движущегося заряда и прямого проводника с током следует указать на относительный характер электромагнитного поля. Силовые характеристики этого поля (векторы Е и В) зависят от выбора инерциальной системы отсчета. Однако в этой зависимости нет никакого произвола, никакой "свободы выбора точки.зрения наблюдателя", т. е. нет ничего, подтверждающего философский релятивизм.

Эта зависимость является отражением объективно существующих закономерностей электромагнитного поля и однозначно описывается специальной теорией относительности..

Классическая теория электромагнитного поля была создана Д, К. Максвеллом, который

математически развил воззрения Фарадея на роль промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях. Для Максвелла, как Человека, характерно, что он, высоко оценивая работы Фарадея, сводил свою роль лишь к применению и математическому оформлению идей Фарадея [13]. Он также подчеркивал важное значение для формирования его теории конкретных результатов, достигнутых на основе представления о дальнодействии.

Такое отношение к своим предшественникам характерно для многих великих творцов науки. В то же время Л. Больцман писал, что максвелловские уравнения совершили переворот не только во всем учении об электричестве и оптике, но и "в наших воззрениях на существо и задачи физической теории" [14]. Введение Максвеллом тока смещения как меры "магнитного действия" переменного

электрического поля является блестящим примером плодотворности дедуктивного метода познания явлений окружающего мира.

Здесь уместно подчеркнуть, что в физических исследованиях продуктивно сочетается применение индуктивного и дедуктивного методов. Однако в учебной литературе наблюдается стремление к преувеличению роли дедуктивного метода, и часто уровень научности учебника считается тем выше, чем сильнее в нем представлен дедуктивный метод. Поэтому на лекциях важно

отмечать конкретные случаи использования индуктивного метода при установлении физических закономерностей. Без этого повышение теоретического уровня курса физики может создать у

студентов впечатление, что физические законы представляют собой просто логически необходимые утверждения, для обоснования которых нет надобности опираться на экспериментальные данные. Так,

например, следует подчеркивать студентам, что уравнения Максвелла являются обобщениями опытных фактов. Их доказательство надо искать в сопоставлении с опытом выводимых из них следствий.

Уравнения Максвелла составляют стержень всей электродинамики. Они могут рассматриваться как основные аксиомы электродинамики, играющие в ней такую же роль, какую законы Ньютона играют в классической механике. Поэтому изложение электродинамики можно было бы строить чисто дедуктивно на основе постулативно установленных уравнений Максвелла. Однако для первоначального изучения разумнее выбрать индуктивный метод изложения, который позволяет глубже проникнуть в сущность электродинамики. Изложение начинают с простейших фактов и явлений, которые правильно описываются не только на языке теории поля, но и на языке теории непосредственного действия на расстоянии (механической картины мира). Постепенным обобщением законов этих явлений приходят к таким результатам, которые уже не укладываются в рамки теории дальнодействия, а могут быть истолкованы только с помощью теории поля.

В конце концов это приводит к системе уравнений Максвелла, после чего все последующее изложение будет строиться на их основе.

Однако следует отметить, что далеко не всякое обобщение достигается чисто индуктивным путем. Реальные пути установления физических законов оказываются значительно разнообразнее индуктивистской схемы. Теоретические понятия, принципы и гипотезы физики возникают с помощью двойного процесса, состоящего из двух противоположных, но сходящихся друг к другу процессов: с одной стороны, индуктивного обобщения, идущего от опыта, и, с другой - дедукции и конкретизации, идущих от философских идей (гипотетико-дедуктивный метод). Ни один из этих процессов в отрыве друг от друга не может привести к возникновению теоретических предпосылок физической теории.

Очень важен вопрос о практических применениях электродинамики. Здесь не нужно увлекаться детальным перечислением этих применений. Многие из них известны студентам из курса средней школы (генераторы, моторы, трансформаторы). Однако необходимо подчеркнуть, что развитие основ электродинамики предшествовало развитию ее практических применений. Наука в данном случае опередила технику. Следует напомнить, что в механике и термодинамике, наоборот, техника сначала опережала науку и только со временем установилась такая же ситуация, как в электродинамике. Но и в настоящее время зачастую техника выдвигает во всех разделах физики новые задачи и, с другой стороны, создает для экспериментальной физики новые возможности.