Библиотека

Теология

Конфессии

Иностранные языки

Другие проекты

Карпенков С. Основные концепции естествознания

Глава 4. Фундаментальные концепции описания природы

4.1. Представление о концепциях материи, движения, пространства и времени

Важнейшая задача естествознания - создание естественно-научной картины мира. Естественно-научная картина природы образует в целом упорядоченную систему, которая по мере развития науки уточняется и дополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но и отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-вторых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает.

Выделение общего ведет к абстракциям, т. е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой - общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время.

Эти понятия широко используются не только в естествознании, но и во многих гуманитарных сферах, например, в искусстве, в экономике, не говоря уже о философии.

Окружающий нас мир, всё существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая... отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. Кто знает, может быть, данное определение не является исчерпывающим - это покажет дальнейшее развитие науки. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавить третий вид материи - физический вакуум. Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других - как поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны). Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер.

В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступают материальная частица малых размеров - корпускула, часто называемая материальной точкой, и физическое тело, или просто тело как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Вряд ли вызывает сомнение существование этих вещественных образований в различных конкретных формах: песчинка, камень, капля воды и т.п. Что касается проблемы делимости вещества или дилеммы "атомизм - безграничная делимость", то она в значительной степени решена физиками и химиками только в начале нашего столетия, когда было экспериментально подтверждено существование атомов и молекул - мельчайших частиц химического элемента и химических соединений.

Идеальными и предельно абстрактными физическими образами реально существующих частиц и тел в классической механике служат материальная точка и абсолютно твердое тело как система материальных точек.

Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, что приводит к всевозможным изменениям и движениям. Взаимодействие тел в макромире происходит под действием силы тяготения или электромагнитных сил. В классической механике понятие силы считается фундаментальным. Сила - физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, т. е. их перемещения друг относительно друга.

Источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения является масса тел. Таким образом, понятие массы, введенное впервые Ньютоном, более фундаментально, чем силы.

Согласно квантовой теории поля частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума, представляющего собой совокупность частиц с соответствующими им античастицами, при достаточно высокой концентрации энергии, которая тем самым выступает как еще более фундаментальная и общая концепция, чем масса, поскольку энергия присуща не только веществу, но и безмассовым полям.

Развитие физики XIX в. показало, что источником другой разновидности сил, действующих в макромире, - электрических и магнитных - является электрический заряд, что хорошо подтверждается законом Кулона, формулой для силы Лоренца и уравнениями электромагнитной теории Максвелла. Хотя реальное существование электрического заряда доказано и теоретически, и экспериментально, многие вопросы, связанные с его происхождением, знаком, квантованностью и т.п., предстоит еще выяснить.

Возвращаясь к концепции массы, отметим, что в отличие от электрического заряда масса не квантируется. Но, возможно, это утверждение соответствует только современному представлению о микромире.

Масса выступает не только как мера гравитационного взаимодействия, но и как мера инертности тел, т. е. способности тел сопротивляться воздействию сил, стремящихся изменить состояние их движения, изменить их скорость. В этой связи часто говорят о массе тяжелой как мере гравитационного взаимодействия и о массе инертной как мере инертности.

Согласно закону Ньютона о противодействующих силах такое утверждение означает, что сила тяготения должна быть прямо пропорциональной не только массе притягиваемого тела т1, но и массе притягивающего тела т2, т. е. произведению масс обоих взаимодействующих тел. Если взаимодействующие тела принять за материальные точки, расположенные на расстоянии г друг от друга, то для силы гравитационного взаимодействия F можно написать:

F = G* т1 * т2 / r2

где G - гравитационная постоянная.

Данной формулой определяется закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном.

Относительно точные измерения показывают, что массы тяжелая и инертная равны между собой. Этот факт, никак не объяснимый классической механикой, фигурирует в общей теории относительности, в которой понятие силы оказывается лишним - в поле тяготения тела движутся как бы "сами по себе" по кратчайшим путям - геодезическим линиям - в искривленном пространстве- времени. При этом поле тяготения и есть по существу искривленное физическое пространство, создаваемое массами вещества. В математическом смысле искривленность - это то, чем данное пространство отличается от хорошо нами представляемого Евклидова пространства.

Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени, которые за длительный период развития естествознания претерпели существенные изменения.

В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния физической системы, и для описания состояния вводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума, означающего непрерывное множество. В физике используются и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и т. п.

Так что же такое время? Самый простой ответ таков: время - это то, что показывают часы. Принцип работы часов может быть основан на многих физических явлениях и процессах. Наиболее удобны периодические процессы, длительно повторяющиеся с высокой степенью точности, например вращение Земли вокруг своей оси, электромагнитное излучение возбужденных атомов и т. п. Для измерения времени могут быть использованы и непериодические процессы, происходящие по известному временному закону, например, радиоактивный распад атомов или свободное падение тел в поле тяготения. Многие крупные достижения в естествознании связаны с изображением и конструированием более точных часов.

В более строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах - с физической точки зрения бессмысленно.

Ньютон различал абсолютное и относительное время. В своих фундаментальных "Математических началах натуральной философии" он писал:

Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...

Течение абсолютного времени изменяться не может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли, или их совсем нет... Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего.

Аналогичные соображения Ньютон высказывал и для пространства. В процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло утверждение: абсолютное время не имеет физического смысла, оно - лишь идеальное математическое представление, ибо в природе нет такого реального физического процесса, пригодного для измерения абсолютного времени.

Во-первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т. е. возникает релятивистское замедление времени. Во-вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи. Течет оно с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. В частности, длительности повторяющихся периодов хороших часов при неизменных условиях совершенно одинаковы. Хотя этот постулат кажется естественным и очевидным, его истинность относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальных часов, поскольку: 1) они все же не идеальны и характеризуются своей мерой точности; 2) нет абсолютной уверенности в возможности создания совершенно одинаковых условий в природе в разное время. Вместе с тем длительная практика естественно-научных исследований позволяет нам не сомневаться в справедливости данного постулата в пределах определенной точности, которая может быть сколь угодно высокой.

Концепция пространства, как и концепция времени, прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вытекало определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Первая законченная теория пространства - геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени, и в этом смысле пространство в этой геометрии - идеальное математическое пространство. Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального физического и Евклидова пространств.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией. Такое представление о пространстве и до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Конечно же, пустое пространство - идеальное пространство. Реальный окружающий нас мир полон материальных вещей даже в безвоздушном космическом пространстве - его заполняют звезды, метеоритные образования, элементарные частицы и, как полагают астрономы, невидимая, скрытая материя. Идеальность пустого пространства, подтверждает и относительный характер механического движения тел. Для описания движения тела нужно указать другое в качестве тела отсчета - рассмотрение одного единственного тела в пустом пространстве бессмысленно.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый' континуум пространство- время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел - скорости света, равной в вакууме примерно 300 000 км/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер.

4.2. Принцип относительности и инвариантность

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, сформулированный впервые Галилеем для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Та система, по отношению к которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной системой отсчета. Это такая система, которая либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой инерциальной системы. Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета.

Опытным путем установлено, что инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета, начало координат которой находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд. Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальная, однако эффекты, обусловленные ее неинерциальностью, связанные с вращением вокруг собственной оси и вокруг Солнца, при решении многих задач пренебрежимо малы, и в этих случаях ее можно считать инерциальной.

Если системы отсчета движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы инерциальные.

Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности - принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно.

А.Пуанкаре распространил принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А.Эйнштейн использовал его для специальной теории относительности.

Современная формулировка принципа относительности такова: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с законом сохранения и вообще с законами природы.

Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Из специальной теории относительности вытекает ряд инвариантов для инерциальных систем отсчета: скорость света, масса, электрический заряд, релятивистский заряд и др. Они остаются неизменными относительно преобразований Лоренца, предложенных им в 1904 г., еще до появления теории относительности, как преобразования, относительно которых уравнения Максвелла инвариантны.

Релятивистский эффект замедления времени экспериментально подтвержден при исследовании нестабильных, самопроизвольно распадающихся элементарных частиц в опытах с пи-мезонами.

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом.

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не • дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления механические, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату постоянство скорости света в вакууме - фундаментальное свойство природы.

Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время.

Из специальной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий.

Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения, - результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства- времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

4.3. Свойства пространства—времени и законы сохранения

Весьма важным для понимания законов природы является принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т. е. изменения ряда физических условий.

В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров. Наглядным примером пространственных симметрий физических систем является кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов - закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключающаяся в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения.

Орнамент - наверное, самое древнее отображение идеи симметрии, лежащей в основе многих фундаментальных законов. Из сформулированного принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью пространства и времени.

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Из свойства симметрии пространства - его однородности следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы, сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сила равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.

Однородность, времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.

Из однородности времени следует закон сохранения механической анергии, в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Если же работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной; например сила трения.

Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. Закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.

В диссипативных, системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. Строго говоря, все реальные системы в природе диссипативные.

В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.

Закон сохранения и превращения анергии - фундаментальный закон природы; он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для микросистем.

В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, например силы трения, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии - сущность неуничтожения материи и ее движения, поскольку энергия, по определению, - универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

Закон сохранения энергии - результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого закона принадлежит М.В. Ломоносову (1711-1765), изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная его формулировка дана немецкими учеными - врачом Ю. Майером (1814- 1878) и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821- 1894).

Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства - его изотропности. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).

Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы - закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882- 1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, и из изотропности пространства - закон сохранения момента импульса.

Выявление различных симметрий в природе, а иногда и постулирование их стало одним из методов теоретического исследования свойств микро-, макро- и мегамира. Возросла в связи с этим роль весьма сложного и абстрактного математического аппарата - теории групп - наиболее адекватного и точного языка для описания симметрии. Теория групп - одно из основных направлений современной математики. Значительный вклад в ее развитие внес французский математик Эварист Галуа (1811- 1832), жизнь которого рано оборвалась: в возрасте 21 года он был убит на дуэли.

С помощью теории групп русский минералог и кристаллограф Е.С. Федоров (1853 - 1919) решил задачу классификации правильных пространственных систем точек - одну из основных задач кристаллографии. Это исторически первый случай применения теории групп непосредственно в естествознании.

Существенное ограничение об однородном и изотропном пространственном распределении материи во Вселенной, налагаемое на уравнения общей теории материи и составляющее основу космологического принципа, позволило А.А.Фридману (1888- 1925) предсказать расширение Вселенной.

4.4. Классическая концепция Ньютона

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Во многом она определяла мышление и мировоззрение. Вплоть до начала XX в. в науке господствовало механистическое мировоззрение, физическая сущность которого заключается в том, что все явления природы можно объяснить движениями частиц и тел. Примером большого успеха механистического представления физических процессов можно считать разработку молекулярно-кинетической теории вещества, позволившей понять тепловые процессы. В книге "Эволюция физики" А. Эйнштейн и Л. Инфельд назвали развитие кинетической теории вещества одним из величайших достижений науки, непосредственно вызванной механистическим воззрением.

В основе классической механики лежит концепция Ньютона, определившая лицо естествознания вплоть до XX в. Сущность концепции Ньютона наиболее кратко и отчетливо выразил А. Эйнштейн:

Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами. Материальная точка есть единственный способ нашего представления реальности, поскольку реальное способно к изменению.

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 Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.

Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела т и силы F. Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела. Масса тела - физическая величина - одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства. Сила - это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела):

а = F / т

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, так как именно он утверждает существование инерциальных систем отсчета.

Взаимодействие между материальными точками (телами) определяется третьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F12 = - F21

где F12 - сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F21 - сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.

Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики - от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата - дифференциального и интегрального исчисления, весьма эффективного при решении многих динамических задач и особенно задач небесной механики.

Причинное объяснение многих физических явлений, т. е. реальное воплощение зародившегося еще в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце XVIII - начале XIX вв. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение - механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749- 1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма - уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость.

Согласно современным представлениям, классическая механика имеет свою область применения: ее законы выполняются для относительно медленных движений тел, скорость которых много меньше скорости света. В то же время практика показывает: классическая механика - безусловно истинная теория и таковой останется, пока будет существовать наука. Вместе с ней останутся и те общие и абстрактные "классические" образы природы - пространство, время, масса, сила и т.д., которые лежат в ее основе. По крайней мере эти образы сохраняются в современной физике и во всем естествознании, только они стали четче и объемнее.

4.5. Статистические и термодинамические свойства макросистем

Развитие представлений о природе тепловых явлений и свойств макросистем. Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20-30° С при смене времени года меняет все вокруг нас. С наступлением весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни на Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды после того как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших открытий, сделанных на заре развития человечества.

История развития представлений о природе тепловых явлений -пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину.

Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, так как было замечено, что при соударении тел или трении друг о друга они нагреваются.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них - вещественной теории тепла - теплота рассматривалась как особого рода невесомая "жидкость", способная перетекать от одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Согласно другой точке зрения теплота - это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.

Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной, от слова "корпускула" (частица). Ее придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он объяснил в общем процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании "наибольшей или последней степени холода", когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты.

Но все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости - теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и сейчас.

В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой "жидкости", а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.

Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822-1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский физик Л. Больцман (1844- 1906) и другие ученые.

Термодинамическое и статистическое описание свойств макросистем. Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй - молекулярной физики.

Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул (термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. - все это примеры макросистем.

Основа термодинамического метода - определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. Обычно в качестве термодинамических параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960 г.) в настоящее время рекомендовано применять только две температурные шкалы - термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Анализ показывает, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул. - молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода, который основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии, давления и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных механических устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения.

Однако при расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить эти параметры. Но количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна. Поэтому в ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимы.

В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы.

Основные положения молекулярно-кинетических представлений. В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три положения:

• любое тело - твердое, жидкое или газообразное - состоит из большого числа весьма малых частиц - молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);

• молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении;

• интенсивность, определяемая скоростью движения молекул, зависит от температуры вещества.

Тепловые процессы связаны со строением вещества и его внутренней структурой. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а такое же нагревание металлического стержня заметно не влияет на него. Такое различное действие нагревания связано с различием во внутреннем строении этих веществ. Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины строения вещества. И, наоборот, определенные представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые законы (Бойля- Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Клапейрона- Менделеева (уравнение состояния), основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее:

Е = 3/2 * kT,

где k - постоянная Больцмана; Т - температура.

Из данного уравнения следует, что при T = 0 средняя кинетическая энергия равна нулю, т. е. при абсолютном нуле прекращается поступательное движение молекул газа, а следовательно, его давление равно нулю. Термодинамическая температура - мера кинетической энергии поступательного движения идеального газа, а приведенная формула раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры.

Первое положение молекулярно-кинетических представлений - любое тело состоит из большого числа весьма малых частиц-молекул -доказано многочисленными опытами, одновременно подтвердившими реальное существование молекул и атомов. Приведем некоторые цифры, показывающие, насколько малы -размеры молекул и атомов и как много их содержится в каком-либо макроскопическом теле.

С помощью .ионного микроскопа удалось показать, что диаметр атомов вольфрама составляет около 2 ангстрем (1 ангстрем равен 108 см). Размер молекулы водорода примерно того же порядка - примерно 2,3 ангстрема. Теперь понятно: при очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Несложный расчет показывает, что число молекул в капле воды составляет около 3*022. Такой маленький объект, и такое колоссальное число молекул!

4.6. Термодинамические законы

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией - энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия.

Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена.

Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движении. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы - первое начало термодинамики. Количественная его формулировка: количество теплоты ?Q, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ?U и на совершение телом работы ?A, т. е.

?Q = ?U + ?A

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т. е. такой двигатель, который совершал бы работу "из ничего", без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.

Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения.

Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможен. Другими словами, термодинамические процессы необратимы.

Приведем два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс - самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому - никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс - расширение газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отдаленной от другой части перегородкой, заполняет весь сосуд после удаления перегородки. Газ никогда без постороннего вмешательства не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы.

Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением между телами. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение тел отсутствует.

В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т. е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.

Утверждение о невозможности получения работы, за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики.

Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся. в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.

Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т. е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находятся примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связана с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой . минералы, построенные человеком большие и малые сооружения или просто радующие глаз своеобразные фигуры.

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния; обозначим его буквой Г. Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом.

Принято пользоваться не самим числом Г, а его логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k. Определенную таким образом величину

S = k lnГ

называют энтропией тела.

Нетрудно убедиться в том, что энтропия сложной системы равна сумме энтропий ее частей.

Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии:

для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии:

?S ? 0.

Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю.Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л.Больцманом).

Идеальному случаю - полностью обратимому процессу замкнутой системы - соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невозможности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают свое объяснение. Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю.Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы " во Вселенной прекратятся - наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

4.7. Электромагнитная концепция

Развитие полевой концепции описания свойств материи. В классическом представлении, как уже отмечалось выше, различают два вида материи: вещество и поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все .построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле - особая форма материи, иногда его называют физическим полем. К настоящему времени известно несколько разновидностей полей: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам.

В этой главе ограничимся рассмотрением электромагнитного поля. Именно для описания электромагнитных явлений выдающийся английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791- 1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля.

Наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.

Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий - гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого - электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т. д.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложением великого английского ученого Джеймса Клерка Максвелла идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

Лишь после создания Максвеллом электромагнитной теории поля, во второй половине XIX в., началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио русским физиком и электромехаником А.С. Поповым (1859- 1906) - одно из первых важнейших применений принципов новой, электромагнитной, теории. При развитии электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.

Многочисленное практическое применение электромагнитных явлений несомненно способствовало существенному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации в целом.

Концепции дальнодействия и близкодействия. Утверждению понятия поля в значительной мере способствовало стремление осознать дальнодействующий характер электрических сил и сил тяготения. Сразу же после открытия И.Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем, примерно через сто лет, и закона Кулона, описывающего взаимодействие заряженных тел, возникли вопросы в большей степени философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных ответов на данные вопросы.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия. Сам И.Ньютон признавал невероятность и даже невозможность подобного рода взаимодействий тел.

Основоположник концепции дальнодействия - французский математик, физик и философ Рене Декарт. Многие ученые придерживались этой концепции вплоть до конца XIX в.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту. Кроме того, она находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т. е. взаимодействие передается _через "посредника" - электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте - примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность новой концепции - концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно концепции близкодействия взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

Дискретность и непрерывность материи. Что же такое физическое поле? Можно ли представить его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство). Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т. д.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство - с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира - его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает - "зернистость", конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

В математике этим философским категориям. соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики.

В рамках классической физики дискретные и непрерывные свойства мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами - квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны - переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).

Согласно полевой концепции участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды - "эфира". Теория относительности, отвергнув "эфир" как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль "эфира" может претендовать новый возможный вид материи - физический вакуум. Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак - так называемое "море Дирака". Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон-позитрон, как бы "вырванную" из ^вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.

В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции "эфира": абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается интуиция физиков о существовании в природе особой среды - физического вакуума, покажет только будущее.

4.8. Сущность электромагнитной теории Максвелла

В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления. Полезно напомнить некоторые основные идеи, лежащие в основе данной теории, и вытекающие из нее выводы.

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. Поэтому возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт показывает, что такие сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Дж. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь "прибором", обнаруживающим это поле.. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное ноле - в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного - только токи проводимости. В данном случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.

Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом - они образуют единое электромагнитное поле.

К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, так как факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью не совместим с принципом относительности Галилея.

4.9. Развитие представлений о свете

Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, не только смогла объяснить уже известные к тому времени экспериментальные факты, что также является важным ее следствием, но и предсказала новые явления. Так было предсказано существование электромагнитных волн - переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света. Данный вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, в соответствии с которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны были впервые обнаружены немецким физиком Г. Герцем (1857- 1894), доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла.

Согласно современным представлениям, электромагнитная природа света — это лишь одна разновидность проявления света. Другая разновидность характеризуется его квантовой природой. Такое двойственное представление природы света сложилось в результате длительного развития теории света.

В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось бы, взаимоисключающие теории света: И.Ньютон предложил теорию, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям; Х.Гюйгенс (1629- 1695) выдвинул волновую теорию, которая рассматривала свет как упругую волну, распространяющуюся в мировом эфире.

В течение ста с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая. Однако в начале XIX в. французскому физику О.Ж.Френелю (1788- 1827) удалось на основе волновых представлений объяснить все известные в то время оптические явления. В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие. В 1851 г. французский ученый Ж,Б.Л.Фуко (1819-1868), измерив скорость света в воде, получил еще одно экспериментальное доказательство справедливости волновой теории.

Первоначально считалось, что свет - это поперечная волна, распространяющаяся в гипотетической упругой среде, будто бы заполняющей все мировое пространство и получившей название мирового эфира. После создания электромагнитной теории на смену упругим световым волнам пришли электромагнитные волны.

В конце XIX- начале XX вв. ряд новых опытных фактов заставил вновь вернуться к представлению об особых световых частицах - фотонах. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам. В одних явлениях, таких, как интерференция, дифракция и поляризация, свет ведет себя как волна, в других (фотоэффект, эффект Комптона) - как поток частиц (фотонов).

Теория Максвелла и ее экспериментальное подтверждение приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле.

Согласно электромагнитной теории Максвелла

где с и v — соответственно скорости распространения света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью ? и магнитной проницаемостью ?; п - показатель преломления среды.

Данное соотношение связывает оптические, электрические и магнитные характеристики вещества. По Максвеллу, ? и ? - величины, не зависящие от длины волны света, поэтому электромагнитная теория не смогла объяснить явление дисперсии (зависимость показателя преломления от длины волны). Эта трудность была преодолена в конце XIX в. Х.А.Лоренцем (1853- 1928), предложившим электронную теорию, согласно которой диэлектрическая проницаемость зависит от длины волны света. Теория Лоренца, основанная на предположении о колебаниях электронов внутри атома, позволила объяснить явления испускания и поглощения света веществом.

Световые волны занимают лишь небольшой интервал шкалы электромагнитных волн (рис. 4.1). Они охватывают диапазон от 380 до 770 нм (1 нм = 10-9 м).

Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны радиостанций и телевизионных передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от частоты носят разные названия: радиоволны (РВ); инфракрасное излучение (ИК); видимый свет (В); рентгеновские лучи (РЛ); гамма-излучение (?).

В отличие от механических волн, которые распространяются в веществе - газе, жидкости или твердом теле, - электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме.

4.10. Корпускулярно - волновые свойства света

Волновые свойства. Современник Исаака Ньютона, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, не отвергал существования корпускул, но полагал, что они не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс распространения света Гюйгенс представлял не как поступательное движение, а как последовательный процесс передачи удара одной корпускулы о другую.

Сторонники Гюйгенса высказывали мнение, что свет есть распространяющееся колебание в особой среде - "эфире", которым заполнено все мировое пространство и который свободно проникает во все тела. Световое возбуждение от источника света передается эфиром во все стороны.

Так возникли первые волновые представления о природе света. Основную ценность начальной волновой теории света представляет принцип, первоначально сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый Френелем. Принцип Гюйгенса - Френеля утверждает, что каждая точка, до которой дошло световое возбуждение, в свою очередь становится центром вторичных волн и передает их во все стороны соседним точкам.

Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.

Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801 г. англичанином Томасом Юнгом (1773- 1829), врачом по профессии. Юнг провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередующихся темных и светлых колец.

Необходимым условием наблюдения интерференционной картины является когерентность волн (согласованное протекание колебательных или волновых процессов).

Явление интерференции широко используется в приборах - интерферометрах, с помощью которых осуществляются различные точные измерения и производится контроль чистоты обработки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля.

В 1818 г. Френель представил обширный доклад по дифракции света на конкурс Парижской Академии наук. Рассматривая этот доклад, А.Пуассон (1781- 1840) пришел к выводу, что по предлагаемой Френелем теории при определенных условиях в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого препятствия на пути света должно быть светлое пятно, а не тень. Это было ошеломляющее заключение. Д.Ф.Араго (1786- 1853) тут же поставил опыт, и расчеты Пуассона подтвердились. Так противоречащее внешне теории Френеля заключение, сделанное Пуассоном, превратилось с помощью опыта Араго в одно из доказательств ее справедливости, а также положило начало признанию волновой природы света.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией.

На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей.

Волновую природу света и поперечность световых волн доказывает, кроме того, и явление поляризации. Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт: при пропускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность зависит от взаимной ориентации кристаллов. При одинаковой ориентации свет проходит без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° свет полностью гасится, т.е. не проходит через кристаллы.

Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии света. Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветную полоску называют сплошным спектром. Зависимость скорости распространения света в среде от длины волны называется дисперсией света. Дисперсия была открыта И.Ньютоном.

Разложение белого света объясняется тем, что он состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления зависит от длины волны. Наибольшее значение показателя преломления для света с самой короткой длиной волны - фиолетового, наименьшее для самого длинноволнового света - красного. Опыты показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны.

Изучение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к утверждению волновой теории света.

Квантовые свойства света. В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны. Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом,

Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены в 1888- 1889 гг. русским физиком А.Г. Столетовым (1839 - 1896).

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца несмотря на свои огромные успехи были несколько противоречивы и при их применении встречался ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только "упругий эфир" был заменен "эфиром электромагнитным" (теория Максвелла) или "неподвижным эфиром" (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т. д. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой v:

E = h*v,

где h - постоянная Планка.

Теория Планка не нуждается в понятии об эфире. Она объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.

А.Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов - фотонов, энергия которых определяется приведенной выше формулой Планка, а импульс

p = h / ?

где ? - длина волны.

Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны, наблюдается излучение с более длинной волной.

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств - корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные выше выражения связывают корпускулярные характеристики излучения - массу и энергию кванта - с волновыми - частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.

Вопросы и темы для размышления

1. Какие виды материи различают в современном представлении?

2. Сформулируйте закон всемирного тяготения.

3. В чем заключается релятивистское и гравитационное замедление времени?

4. Сформулируйте принцип относительности в современном представлении.

5. Сформулируйте постулаты специальной теории относительности.

6. Из каких свойств пространства и времени следуют законы сохранения?

7. В чем сущность классической концепции Ньютона?

8. Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетических представлений.

9. Сформулируйте первое начало термодинамики.

10. Охарактеризуйте кратко суть невозможности создания вечного двигателя второго рода.

11. Дайте количественную формулировку второго начала термодинамики.

12. В чем заключается сущность проблемы тепловой смерти Вселенной?

13. В чем сущность концепций дальнодействия и близкодействия?

14. В соответствии с квантовой теорией поле дискретно или непрерывно?

15. Кто и когда создал электромагнитную теорию поля?

16. Охарактеризуйте кратко историю развития представлений о свете.

17. В чем проявляются волновые свойства света?

18. Напишите формулу, подтверждающую волновую и квантовую природу света.

Тема 1. Мои представления о движении пространства и времени.

Тема 2. Свойства симметрии и законы сохранения.

Тема 3. Необратимость - свойство реальных процессов.

Тема 4. Развитие электромагнитной концепции.

Библиотека Гумер - Наука