Макаров - КСЕ

Идея гелиоцентрической Вселенной и движущейся Земли начала быстро завоевывать умы ученых. В Англии теория Коперника нашла прочную поддержку. Там вышла книга Томаса Диггса (около 1545–1595 гг.) «Совершенное описание небесных сфер», где Диггс почти полностью пе-

ревел труд Коперника на английский язык.

В 1583 году Англию посетил доминиканский монах Джордано Бруно (1548–1600 гг.), где он познакомился с теорией Коперника. Его горячую поддержку идей Коперника и представлений о бесконечном звездном Космосе Католические церковника сочли проявлением еретических отношений к церкви. В 1600 году Джордано Бруно был сожжен на костре за ересь, а Католическая церковь предала теорию Коперника анафеме.

Недостатком взглядов Коперника было то, что он разделял господствующее до него убеждение в конечности мироздания, полагал, что Вселенная где-то заканчивается твердой сферой, на котором были закреплены неподвижные звезды. Нелепость такого взгляда на Вселенную обнаружилась в расчетах проведенных датским астрономом Тихо Браге (1546–1601 гг.). В 1577 году он сумел рассчитать орбиту кометы, проходившую вблизи планеты Венера. Согласно его расчетам получалось, что эта комета должна была натолкнуться на твердую поверхность сферы, ограничивающей Вселенную, если бы такая существовала. В 1588 году, ради спасения наглядности, выдвинул гипотезу, согласно которой вокруг Солнца вращаются все планеты за исключением Земли, последняя неподвижна и вокруг нее вращается Солнце с планетами и Луна.

Величие созданной Коперником гелиоцентрической системы мира обнаружилось, после того как Кеплер открыл истинные законы эллипти-

ческого движения планет, а Ньютон на их основе – закон всемирного тяготения. Леверье и Адамс на основании данных этой системы предсказали существование и теоретически определили местонахождение неизвестной планеты (Нептуна), а Галле, направив телескоп в указанную точку неба открыл ее. Это был триумф учения Коперника.

11. Создание классической механики и экспериментального естествознания. Механистическая картина мира.

Эпоха Нового времени. Она охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIX в. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые как Галилей, Кеплер, Ньютон.

В учении итальянского ученого Галилео Галилея (1564–1642 гг.) были заложены основы нового механистического естествознания. Как свидетельствует А. Энштейн, «самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за сложности – это проблема движения».

21

До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и если воздействие прекращается тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля (хотя и согласуется с нашим повседневным опытом) является ошибочным. Вместо него Галилей сформировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состояние покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия. Именно Галилей впервые обратил внимание на относительность механического движения, сформировав свой принцип относительности согласно которому «никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно».

Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, он внёс немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.

Галилей выработал условия дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая вера в авторитет Аристотеля сильно тормозит развитие науки. Истинное знание, считал Галилей, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента) и вооруженного математическим знанием разума, – а не путем изучения и сличения текстов в рукописях античных мыслителей.

Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования, обосновавшие и утверждавшие гелиоцентрическую систему Коперника. Используя построенные им телескопы (вначале это был скромный оптический прибор с 3-х кратным увеличителем, а впоследствии был создан телескоп с 32-х кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд интересных наблюдений и открытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой большой планеты Солнечной системы – Юпитера – Галилей обнаружил четыре спутника (из 13 известных в настоящее время). Наблюдение за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либрацию, т.е. видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра. Галилей убедился, что

22

кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд, а не представляет собой некое атмосферное явление, как утверждал Аристотель.

Но самое главное в деятельности Галилея как ученого астронома состояло в отстаивании справедливости учения Николая Коперника, которое подвергалось нападкам не только со стороны церковных кругов, но и со стороны некоторых ученых, высказывавших сомнения в правильности этого учения. Галилей сумел показать несостоятельность всех этих сомнений и дать блестящее естественнонаучное доказательство справедливости гелиоцентрической системы в знаменитой работе «Диалог о двух системах мира – Птолемеевской и Коперниковой».

Преследование инквизиции, затем унизительное судилище подорвали здоровье Галилея. Однако несмотря на запрет инквизиции за четыре года до смерти, он тайно переправил в голландское издательство рукопись своей второй книги «Две новые науки». Именно эта работа дала рождение современной науке. Галилей по праву считается одним из основоположников опытного естествознания, т.к. им впервые в истории науки сформулированы требования к научным экспериментам.

С астрологическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звездный вестник», ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI – первой трети XVII в.в. Иоганн Кеплер (1571–1630 гг.). Эта оценка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера «Рассуждение о

«Звездном вестнике».

Кеплер занимался поисками законов небесной механики и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительно Солнца. В своем первом законе Кеплер отказывается от коперниковского представления о круговом движении планет вокруг Солнца. В этом законе утверждается, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Согласно второму закону Кеплера, радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади. Из этого закона следовал вывод, что скорость движения планеты по орбите не постоянна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Третий закон Кеплера гласит: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил Рудольфовы таблицы – по имени австрийского императора Рудольфа II, при дворе которого Кеплер занимал место астронома. С помо-

23

щью этих таблиц можно было с высокой степенью точности определять в любой момент времени положение планет. Кеплеру принадлежит также решение ряда важных для практики стереометрических задач.

Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентрической космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно, включив несколько из них в список запрещенных книг. Но сам Кеплер прекрасно понимал значение выполненных им работ. Не без сарказма он писал: «Мне все равно кто будет меня читать: люди нынешнего или люди будущего поколения. Разве Господь Бог не дожидался шесть тысяч лет, чтобы кто-нибудь занялся созерцанием его творений».

Главной заслугой Кеплера было открытие законов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. И это неудивительно, ибо не существовало еще понятий силы и взаимодействия. В то время из разделов механики были разработаны лишь статика – учение о равновесии (которое разрабатывалось еще в античности, в первую очередь, Архимедом), а в работах Галилея были сделаны первые шаги в разработке динамики. Но в полной мере динамика – учение о силах и их взаимодействии

–была создана лишь позднее Исааком Ньютоном.

Втакой ситуации большое впечатление произвела теория вихрей, выдвинутая в 40-х годах XVII века французским ученым Рене Декартом (1596–1650 гг.). Декарт полагал, что мировое пространство заполнено особым легким, подвижным веществом, способным образовывать гигантские вихри. Вихревые потоки, окружая все небесные тела, увлекают их и приводят в движение. Солнечная система представляет собой громадный вихрь, в центре которого находится Солнце. Этот солнечный вихрь увлекает в своем движении все планеты. Центрами других, меньших вихрей, вращающихся вокруг Солнца, являются планеты. Планетные вихри вовлекают в круговое движение спутники этих планет. Так, вихрь, окружающий Землю, приводит в движение вокруг Земли ее спутник – Луну. Причем в каждом вихре тело, находящееся ближе к центру, вращается вокруг него быстрее, чем более далекое. Этим Декарт объяснял тот факт, что чем ближе планеты к Солнцу, тем короче периоды их вращения вокруг него (всего 88 дней для Меркурия, 225 дней для Венеры, 365 дней для Земли и т. д.).

Что касается эллиптического движения планет по уже известным законам Кеплера, то Декарт не смог ясно этого объяснить. Космологическая гипотеза Декарта оказалась несостоятельной и была отвергнута последующим развитием науки. Но Декарт обессмертил свое имя в другой области – в математике. Создание им основ аналитической геометрии, введение осей координат, носящих по сей день наименование декартовых, им многих алгебраических обозначений, формулирования понятия переменной величины – вот далеко не полный перечень, того что сделал Декарт в области математики, обеспечив её существенный прогресс.

24

Вторая научная революция завершилась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, каковым был Исаак Ньютон (1643–1727 гг.). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) дифференциального и интегрального исчисления, и важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телескопов (он, так же как и Галилей, именно телескопу обязан первым признанием своих научных заслуг), и большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты в области дисперсии света и дал объяснение этому явлению). Но главным научным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики, господства механических представлений о мире.

В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и большинство физических законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта, о чем сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов.

Первый закон механики Ньютона – это принцип инерции, впервые сформулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо второго закона механики Ньютона состоит в констатации того факта, что приобретаемое телом ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела.

Третий закон механики Ньютона – это закон равенства действия и противодействия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.

Данная система законов движения была дополнена открытием Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массе и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.

Ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Это был закон природы, которой подчинялось все – малое и большое, земное и небесное. Этот закон явился основанием создания небесной механики – науки, изучающей движение тел солнечной системы. Как пишет известный японский физик Х. Юкава, «Ньютон многое отсек у реального мира, о котором размышляют

25

физики…Конечно, Ньютон абстрагируется, но он оставляет самое существенное и создает единую картину мира. Ему принадлежит, по крайней мере, построение теории Солнечной системы. Это один из миров. Остается еще…и множество других миров. В них он не успел разобраться, но Солнечная система прекрасно воссоздана в рамках его механики».

В1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики.

Всвоей знаменитой работе Ньютон предложил ученому мира науч- но-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей не только в Англии, но и в Европе. Свою научную программу Ньютон назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы.

Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.

Итак, вторая естественнонаучная революция была физически завершена Ньютоном.

Вторая, естественнонаучная революция, преобразовавшая все естествознание представляла собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму, а от него – к полицентризму.

Контрольные вопросы

1.В чём разница между «микрореволюцией» в отдельных науках и глобальной революцией?

2.Что явилось главным итогом первой естественнонаучной рево-

люции?

3.В чём суть гелиоцентрической системы мира Коперника?

4.Что является недостатком взглядов Коперника?

5.Какие учёные стояли у истоков современной науки?

6.Кто является основателем механистического естествознания?

7.В чём суть принципа инерции Галилея?

8.Сформулируйте принцип относительности механического дви-

жения.

9.Какие основные Галилея открытия вы знаете?

10.Как назывались основные труды Галилея?

11.Сформулируйте законы небесной механики Кеплера.

12.Какие достижения Рене Декарта в математике вы знаете?

13.Сформулируйте законы Ньютона.

14.Как назывался и в чём суть главного труда Ньютона?

15.Что явилось главным итогом второй естественнонаучной рево-

люции?

26

12. Открытия, создавшие фундамент третьей естественнонаучной революции.

Третьей естественнонаучная революция начинается с открытий Ампера, Эрстеда и Майкла Фарадея.

Датский физик Эрстед (1777–1851 гг.) и французский физик Ампер (1775–1836 гг.) 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. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому единица силы тока носит его имя – ампер. С помощью своего учения о круговых токах, онсводитмагнетизмкэлектричеству! Этовеликоеоткрытие!

Ампер формулирует до сих пор не известный закон о взаимодействии токов. Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов.

Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 года, когда вышел в свет его обобщающий труд «Теория электродинамических явлений, выведенная из опыта». В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количест-

венный закон для силы взаимодействия токов. Это один из основопола-

гающих законов электродинамики.

Эстафета, принятая Ампером от Эрстеда, была передана в руки великого английского естествоиспытателя Майкла Фарадея (1791–1867 гг.).

Он открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита.

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.

13.Теория Максвелла.

В60-х годах ХIХ в. английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879 гг.) развил теорию Фарадея и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления.

27

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т.е. силы неэлектростатического происхождения. Возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт показывает, что такие сторонние силы не связаны не с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрического поля, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым. Такие взгляды на приро-

ду взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого воздействия 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 Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. На этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что должны существовать так называемые электромагнитные волны, причем скорость их распространения равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн. Основной работой Максвелла, заключавшей в себя математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 году.

Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона.

Контрольные вопросы

1.Кто является создателем электродинамики?

2.Кто сформулировал закон о взаимодействии токов?

3.Открытием какого явления обессмертил своё имя Фарадей?

4.Какие важные выводы следуют из теории электромагнитного поля Максвелла?

5.Кем впервые был сделан вывод, что свет – разновидность электромагнитных волн?

28

ГЛАВА II. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

14. Возникновение и развитие квантовой физики. Гипотеза квантов.

Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает энергию независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в ХIХ в. привело к тому, что при излучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.

Г. Кирхгоф в 1860г. сформулировал новый закон, который гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Другими словами, если ЕλТ и АλТ – соответственно испускательная и поглощательная способности тела, зависящих от длины волны и температуры Т, то

ΑΕλλΤΤ =ω(λ,Τ)

где ω - некоторая универсальная функция λ и Т, одинаковая для всех тел. Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Для такого тела, очевидно, АλТ=1; тогда универсальная функция ω равна испускательной способности абсолютно черного тела. Сам Кирхгоф не определил вид функции ω, а лишь

отметил некоторые ее свойства.

При определении вида универсальной функции ω естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. А. Больцман показал, что полная энергия изменения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.

В80-е гг. ХIХ в. эмпирические исследования закономерностей распределения спектральных линий и изучение функции ω стали более интенсивными и систематическими. Была усовершенствована экспериментальная аппаратура. (В. Вином в 1896г. и Дж. Рэлей и Дж. Джинсом в 1900 г. – предложены две различные формулы, для длинных и коротких волн, однако общие закономерности так и не были выявлены).

В1900 г. на заседании Берлинского физического общества Макс Планк (1858–1947 гг.) предложил новую формулу для распределения

29

энергии в спектре черного тела. Эта формула давала полное соответствие с опытом, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями – квантами (Е). Более того, Е не является любой величиной, а именно, Е=hν, где h – определенная константа, ν – частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.

Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярноволновой дуализм светового излучения нельзя объяснять с позиций классической физики. В 1912 г. А. Пуанкаре окончательно доказал несовместимость формулы Планка и классической механики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже – вместе с созданием квантовой механики.

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте закон Кирхгофа.

2.Какое тело называется «абсолютно чёрным»?

3.Кем впервые сформулирована гипотеза квантов?

4.Кого и почему называют основоположником теоретической квантовой физики?

5.Какое понятие в развитии квантовой гипотезы было использовано А. Эйнштейном для объяснения явления фотоэффекта?

6.Кто и когда первым показал, что свет обладает одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами?

15.Теория атома Н. Бора. Принцип соответствия.

Всвете всех выдающихся открытий конца ХIХ – начала ХХвв., которые революционизировали физику, одной из ключевых стала проблема строения атомов. Еще в 1889г. в своей Фарадеевской лекции Д.И. Менделеев отмечал,

30