Концепции современного естествознания

В этом рассуждении Ньютон говорит о гравитационной неустойчивости Вселенной, т. е. при отсутствии силы отталкивания, противоположной силе тяготения, тяготение приведет к скручиванию массы всех тел во Вселенной в одном центре. Этот эффект называется коллапсом (падение внутрь), заимствовано из латинского языка.

2.Если пространство бесконечно и вещество Вселенной равномерно распределено в этом пространстве, то вещество Вселенной сгущалось бы в точках пространства, создавая бесконечное число массивных тел. Именно в бесконечном пространстве из вещества (частиц) могло образоваться наше Солнце и другие небесные тела под действием силы тяготения. В своих рассуждениях Ньютон отмечает важность свойств самого пространства (замкнутое, открытое) для физических процессов образования материальных тел во Вселенной. Как и Галилей, он считал, что в материальном мире все состоит из вечных, нестареющих частиц, некоторые из них имеют светящуюся природу. Из них состоят звезды.

Ньютону принадлежит интересная гипотеза о том, что «жар Солнца» и звезд сохраняется большим их весом и высокой плотностью окружающих их атмосфер, оболочек, сжимающих их со всех сторон. В последние годы своей жизни Ньютон уделял большое внимание изучению оптических явлений.

Физическая природа света. Физическая природа света была предметом исследования многих мыслителей времени Ньютона. Р. Гук рассматривал свет как волновое явление, движение волн. Это означало, что пространство между небесными телами заполнено эфиром, особым физическим материальным агрегатным состоянием. По мере изучения свойств распространения света эфир наделялся рядом фантастических физических свойств: невесомый, разряженный, всепроникающий и т. п.

Гипотеза Ньютона о корпускулярной природе света как потока частиц, подверженных колебательному движению, не была популярна в его время. Невозможно было в XVII в. и осуществить метод Галилея для измерения скорости света, который он предложил в работе «Беседы о математическом доказательстве» (1638). Астроном X. Кассини (1625--1712) утверждал, что скорость света конечна, однако приводимым им доказательствам не поверили. «Трактат о свете» (1690 г. -- дата публикации) X. Гюйгенса (1629--1693) считался наиболее авторитетным трудом в то время. В нем приводились доказательства волновой физической природы света.

В конце XIX в. и в первом десятилетии ХХ в. проблема физической природы света приобрела вновь актуальное значение в работах Г. Герца (1857--1894) и А. Эйнштейна, который обратился к корпускулярной гипотезе света И. Ньютона.

3.5 Успехи механики Ньютона

Популяризация идей механики И. Ньютона связана с именем французского философа Вольтера (1694--1778). При его активном содействии работа Ньютона «Математические начала натуральной философии» была переведена с латинского языка на французский язык. Затем Вольтер написал популярное изложение механики Ньютона под названием «Элементы учения Ньютона». В философии Вольтера большое место занимала критика церкви, борьба за общественный прогресс и образование. Механика Ньютона представлялась ему образцом человеческого творчества, проникающего в глубины тайн устройства природы. Популяризация механики Ньютона способствовала возникновению механистической физической картины мира, в которой Вселенная представлялась в виде мировой машины или механизма, подчиняющегося законам механического движения.

Триумфом механики И. Ньютона стали открытия астрономов. В 1781 г. была открыта планета Уран, в 1846 г. -- Нептун, в 1930 г. -- Плутон. Каждому из этих астрономических открытий предшествовали вычисления на основе закона всемирного тяготения Ньютона.

Механика Ньютона стала научной основой создания первых концепций строения Вселенной и образования структур в ней. И. Кант (1724--1804) и П. Лаплас (1749--1827) -- авторы небулярной гипотезы (лат. nebula -- туман). Ньютону принадлежит приоритет в вычислении орбит искусственных спутников Земли. На расстоянии 40 тыс. километров спутник синхронно движется относительно определенной точки поверхности Земли (постоянно находится над ней).

Открытие силы гравитации поставило перед естествознанием ряд загадочных вопросов:

1. Как эта сила возникает? В реальности человек ощущает действие этой силы?

2. Как она распространяется: в виде волн или особых частиц (гравитонов) и с какой скоростью?

3. Сила гравитации, по Ньютону, ослабевает с увеличением расстояния между телами. Поэтому возникает вопрос, нет ли таких мест во Вселенной, где ее величина равна нулю. Иначе говоря, она является универсальной или где-то во Вселенной она ослабевает настолько, что физическое ее действие не играет никакой роли?

4. Можно ли экранировать действие силы гравитации? Это обстоятельство имеет большое значение для космических путешествий.

5. Как связано действие силы гравитации с пространством и временем?

6. Можно ли использовать силу гравитации для изучения строения Земли? Такого рода вопросы-загадки стали ориентиром в развитии новых физических теорий, следовавших за механикой Галилея -- Ньютона.

7. Существуют ли гравитоны, частицы, которые позволяют силе тяготения распространяться с мгновенной скоростью?

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. В чем выражается суть метода Галилея в изучении явления свободного падения тела?

2. Как трактуется время и пространство в механике Галилея - Ньютона?

3. Почему в закрытых механических системах физические события являются обратимыми?

4. Какие открытия в области астрономии были созданы на основе механики Ньютона?

5. Принцип детерминизма (его физический смысл, содержание).

4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА

4.1 Кратко об истории изучения магнетизма

С XII в. многие исследователи интересовались направлением стрелок компаса строго по линии север -- юг. Слово «полюс» (лат. polus -- ось, граница, предел чего-то) в словосочетании «географический полюс» означает точку пересечения оси вращения Земли с земной поверхностью. Поскольку ось вращения Земли меняет со временем свой наклон, то географические полюса медленно меняют свое местоположение.

Южный географический полюс был открыт в 1911 г. норвежской экспедицией под руководством Р. Амундсена (1872--1925). Он находится в Антарктиде (Полярное плато, на высоте 2800 м).

Северный географический полюс находится в центральной части Северного Ледовитого океана. Первым Северного полюса достиг в 1909 г. американец Р. Пири. Впервые в истории мореплавания советский атомный ледокол «Арктика» достиг Северного полюса 17 августа 1977 г. В XIII в.

Петр Перегринус предложил метод определения полюсов магнитного тела. На шаре из магнита имеются две точки, в которых магнитная стрелка устанавливается под углом в 90°. Эти точки назвали полюсами магнитного шара. Это физическое явление (изменение горизонтального положения магнитной стрелки под определенным углом, вплоть до 90°) называется магнитным наклонением. Оно характеризует величину магнитной силы Земли, действующей на магнитную стрелку в данном месте. На северном магнитном полюсе северный конец магнитной стрелки направлен строго вертикально вниз (притягивается южным полюсом), на южном магнитном полюсе имеет место обратная ситуация: северный конец магнитной стрелки направлен вверх.

В середине XVII в. многие исследователи полагали, что Земля является большим шарообразным магнитом. Эта идея была изложена в знаменитом труде английского врача В. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните -- Земля» (1660). В этом труде утверждалось, что географические полюсы север -- юг совпадают с магнитными полюсами. Однако дальнейшее изучение вопроса о совпадении географических и магнитных полюсов, которое велось в XVIII и XIX вв., показало, что данное совпадение отсутствует. Отклонение магнитной оси Земли от оси ее вращения называется магнитным склонением. В России, за период с 1829 по 1836 г. было открыто несколько магнитных обсерваторий для измерения магнитного склонения в целях развития мореплавания в суровых климатических условиях. Большую роль в проведении и организации точных магнитных измерений в России (1871 -- 1878 гг.) сыграл профессор Казанского университета И.Н.Смирнов. Работы, которые он проводил, привели к созданию первых магнитных карт России.

Английский физик М. Фарадей доказал, что силовые линии магнита исходят из его северного полюса и входят в его южный полюс. Внутри магнита направление магнитных сил противоположно направлениям внешних магнитных сил магнита.

На основании этого факта исследования установили, что южный магнитный полюс Земли находится в Северном географическом полушарии, его открыл в 1831 г. английский полярный исследователь Джон Росс, а северный магнитный полюс -- в Южном географическом полушарии, его открыл в 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) на окраине антарктического материка на расстоянии 800 км от южного географического полюса. Южный магнитный полюс находится на расстоянии около 1000 км от северного географического полюса (полуостров Бутия, Канадский архипелаг).

Французский ученый Ш. Кулон (1736--1806) является одним из первых исследователей, которые пытались измерить силы магнитного взаимодействия. В 1785 г. он сформулировал закон взаимодействия между магнитными массами. Он полагал, что все большие магниты составлены из маленьких магнитов. Сформулированный им закон для магнитных сил утверждал, что сила взаимодействия между магнитными массами обратно пропорциональна расстоянию между ними. Еще годом раньше он сформулировал закон о взаимодействии между электрически заряженными телами, который также утверждал, что сила взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональна расстоянию между заряженными телами. В последнем случае речь идет об известном законе Ш. Кулона:

F(электр.) = K(q1q2/r2),

где К электрическая постоянная, q1 и q2 -- электрические заряды, r -- расстояния между зарядами. Однако Ш. Кулону не был известен факт о связи электрических и магнитных сил. Этот факт был обнаружен в 1820 г. шведским ученым X. Эрстедом (1777--1851).

Исследования Ш. Кулона положили начало изучению ряда важных проблем электричества и магнетизма: является ли Земля магнитным шаром, как утверждал еще В. Гильберт? существуют ли магнитные заряды? как осуществляется действие электрических сил и магнитных сил в пространстве? имеют ли электрические и магнитные силы единую физическую природу? В частности, изучение Земли как магнитного шара показало, что многие геологические породы не обладают свойством намагничивания, т. е. не приобретают свойства магнита. Причем некоторые из земных пород, такие как гипс, каменная соль, свинец и ряд других, при их намагничивании во внешнем магнитном поле не усиливают это магнитное поле, а, наоборот, ослабляют его. Таким образом, подобные породы противоположны по магнитным свойствам так называемым ферромагнитам.

Ферромагниты -- (лат. ferrum -- железо) -- вещества, которые при их намагничивании во внешнем магнитном поле усиливают данное магнитное поле. Это обстоятельство вызвало сомнение в представлении о Земле в форме шарообразного магнита. Другим обстоятельством, усиливающим это сомнение, было открытие факта утрачивания ферромагнитами магнитных свойств при температурах свыше (+100° С): железо -- 780°С, магнетит -- 580° С и другие. Эти температурные точки для ферромагнитов называются обобщенно точкой Кюри: П. Кюри (1859--1906) сформулировал этот закон в 80-х годах XIX в.

Идея Ш. Кулона о магнитных частицах, обладающих обоими магнитными полюсами, сходна с гипотезой о существовании частицы, названной «монополь Дирака», т. е. частицы, обладающей только одним магнитным полюсом, аналогичным электрическому заряду. П. Дирак -- один из создателей квантовой механики. В слове «монополь» соединены два слова греческого происхождения: моно -- один, поль -- полюс.

Электрические монополи существуют. Это положительно и отрицательно заряженные частицы. Магнитные монополи до сих пор не обнаружены, хотя существуют как электрические, так и магнитные диполи (два полюса): два точечных электрических заряда, расположенных на расстоянии, равных по величине и противоположные по знаку, а также магнитный диполь (равные по величине магнитные противоположные заряды, находящиеся на условно одинаковом расстоянии). Исследование магнетизма обнаружило тесную связь его с электрическими явлениями, но лишь физическая теория электромагнитного взаимодействия, созданная в 60-х годах XIX в., дала более ясное понимание природы магнитных явлений на Земле. Уже в начале ХХ в. в этой области появилось две теории: а) электрическая и б) теория, которая связывает магнетизм Земли со структурой пород, составляющих земную кору, обладающих свойством намагничивания. Эти теории существуют и в настоящее время.

Первая утверждает, что электрические токи, возникающие внутри Земли, создают ее магнитное поле. Эти токи были названы вихревыми. Вторая теория считает, что магнитные свойства Земли, ее магнитосфера обусловлены строением образующих ее геологических пород. Речь идет о так называемых доменах -- это группы атомов, образующие области, где их магнитные моменты ориентированы в одном направлении.

4.2 Исследование электрической силы

Исследованием этой проблемы занималось много ученых. Б. Франклину (1706-- 1790) -- одному из авторов Декларации независимости США (1776) и Конституции США (1787) -- принадлежит несколько плодотворных идей в исследовании природы электричества. Он полагал, что электричество, свободно движущееся в металлах, переносится мельчайшими частицами, которые существенно меньше атомов. Он же ввел понятие положительного и отрицательного зарядов: положительный заряд -- это заряд тела, которое накапливает электричество, отрицательный -- это заряд тела, теряющего электричество. Франклин не знал, что электричество связано с движением электронов. Поэтому то, что он назвал положительным зарядом, является на самом деле отрицательным, но традиция сохраняет принятые Франклином термины.

Б. Франклину принадлежит формулировка закона сохранения электрических зарядов в замкнутой системе (без действия внешних сил): полный заряд тел, входящих в эту систему, сохраняется, хотя внутри этой системы будут происходить изменения заряда от тела к телу при их движении внутри системы. Электричество, которое изучал Франклин, называется статическим. В России электричество изучалось М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом (1711--1753), академиком Петербургской академии, погибшим по нелепой случайности при эксперименте. М. Ломоносову были известны идеи Франклина. В своей диссертации «Теория электричества, математически выведенная автором М. Ломоносовым» он сформулировал принципиально новое объяснение атмосферного электричества, чего у Франклина не было: электричество возникает в результате «трения» вертикально восходящих и нисходящих потоков частиц воздуха в атмосфере.

Исследование динамического электричества начинается с открытий итальянцев А. Вольта (1745--1827) и Л. Гальвани (1734--1787). Изобретение в 1800 г. электрической батареи как иcточника постоянного электрического тока в результате химического и механического процессов вызвало огромную сенсацию: человечество приобрело способ производства электричества.

В 1791 г. профессор анатомии в Болонии Л. Гальвани опубликовал трактат «Об электрических силах в мускуле», в котором говорилось, что механизм передачи, взаимодействия в животных тканях имеет электрическую природу. Эта идея, основанная на эксперименте с лягушками, вызвала огромную сенсацию. Многие врачи стали рассматривать электричество как средство воскрешения из мертвых и восстановления функций организма: дыхания, сердцебиения, а некоторые пытались использовать электричество как средство оживления.

В 1820г. шведский ученый X. Эрстед (1777--1851) на четырех страницах опубликовал наблюдаемое им явление. Он был уверен в существовании всеобщей связи в мире и наблюдаемое им явление расценивал как подтверждение этой идеи. Демонстрируя опыт о нагревании проводника,через который проходит электричество, он случайно оставил около этого проводника компас. Наблюдательный студент обратил внимание на факт отклонения стрелки компаса от ее первоначального положения, когда по проводнику пропускалось электричество. X. Эрстед не смог дать объяснения этому факту. Но этот факт имел решающее значение в изучении связи электрических и магнитных сил. До этого было известно, что стрелки компаса изменяют свое положение на противоположное во время электрических разрядов в атмосфере.

Во Французской академии A.M. Ампер (1775--1836) и его современник Д.Ф. Араго занимались этими проблемами. Первый пытался объяснить, почему движущиеся электрические заряды производят магнитные свойства, а неподвижные -- нет. А. Ампер внес огромный вклад в развитие электродинамики, но его слабое здоровье не позволило ему осуществить многие идеи в области не только электродинамики, но и науки в целом. Что касается Д. Ф. Араго, изучавшего явление отклонения магнитной стрелки при атмосферных процессах с электрическими разрядами, то он был близок к объяснению открытия X. Эрстеда, но это удалось сделать лишь английскому физику М.Фарадею (1791 -- 1867). Именно исследования М. Фарадея стали основой теории электромагнитного взаимодействия, созданной другим английским физиком Д. Максвеллом (1831 -- 1879).

4.3 Понятие физического поля

М. Фарадей вошел в науку исключительно благодаря таланту и усердию в самообразовании. Выходец из бедной семьи, он работал в переплетной мастерской, где познакомился с трудами ученых, философов. Известный английский физик Г.Дэви (1778--1829), который способствовал вхождению М. Фарадея в научное сообщество, однажды сказал, что самым крупным его достижением в науке является «открытие» им М. Фарадея. М. Фарадей изобрел электродвигатель и электрогенератор, т. е. машины для производства электричества. Ему принадлежит идея о том, что электричество имеет единую физическую природу, т. е. независимо от того, каким образом оно получено: движением магнита или прохождением электрически заряженных частиц в проводнике. Для объяснения взаимодействия между электрическими зарядами на расстоянии М. Фарадей ввел понятие физического поля. Физическое поле он представлял как свойство самого пространства вокруг электрически заряженного тела оказывать физическое воздействие на другое заряженное тело, помещенное в это пространство. С помощью металлических частиц он показал расположение и наличие сил, действующих в пространстве вокруг магнита (магнитных сил) и электрического заряженного тела (электрических). Свои идеи о физическом поле М. Фарадей изложил в письме-завещании, которое было вскрыто лишь в 1938 г. в присутствии членов Лондонского Королевского общества. В этом письме было обнаружено, что М. Фарадей владел методикой изучения свойств поля и в его теории электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью. Причины, по которым он изложил свои идеи о физическом поле в форме письма-завещания, возможно, следующие. Представители французской физической школы требовали от него теоретического доказательства связи электрических и магнитных сил. Кроме того, понятие физического поля, по М. Фарадею, означало, что распространение электрических и магнитных сил осуществляется непрерывным образом от одной точки поля к другой и, следовательно, эти силы имеют характер близкодействующих сил, а не дальнодействующих, как полагал Ш. Кулон. М. Фарадею принадлежит еще одна плодотворная идея. При изучении свойств электролитов он обнаружил, что электрический заряд частиц, образующих электричество, не является дробным. Эта идея была подтверждена определением заряда электрона уже в конце XIX в.

4.4 Теория электромагнитных сил Д. Максвелла

Подобно И. Ньютону Д. Максвелл придал всем результатам исследований электрических и магнитных сил теоретическую форму. Произошло это в 70-х годах XIX в. Он сформулировал свою теорию на основе законов связи взаимодействия электрических и магнитных сил, содержание которых можно представить таким образом:

1. Любой электрический ток вызывает или создает магнитное поле в окружающем его пространстве. Постоянный электрический ток создает постоянное магнитное поле. Но постоянное магнитное поле (неподвижный магнит) не может создавать электрическое поле вообще (ни постоянное, ни переменное).

2. Образовавшееся переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, и так далее.

3. Силовые линии электрического поля замыкаются на электрических зарядах.

4. Силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя и никогда не кончаются, т. е. не существует в природе магнитных зарядов.

В уравнениях Д. Максвелла присутствовала некоторая постоянная величина С, которая указывала, что скорость распространения электромагнитных волн в физическом поле является конечной и совпадает со скоростью распространения света в вакууме, равной 300 тыс. км/с.

4.5 Основные понятия и принципы электромагнетизма

Теория Д. Максвелла была воспринята некоторыми учеными с большим сомнением. Например, Г. Гельмгольц (1821--1894) придерживался точки зрения, согласно которой электричество является «невесомым флюидом», распространяющимся с бесконечной скоростью. По его просьбе Г. Герц (1857-1894) занялся экспериментом, доказывающим флюидную природу электричества.

К этому времени О. Френель (1788--1827) показал, что свет распространяется не как продольные, а как поперечные волны. В 1887 г. Г. Герцу удалось построить эксперимент. Свет в пространстве между электрическими зарядами распространялся поперечными волнами со скоростью 300 тыс. км/с. Это позволило ему говорить о том, что его эксперимент устраняет сомнения в тождественности света, теплового излучения и волнового электромагнитного движения.

Этот эксперимент стал основой для создания электромагнитной физической картины мира, одним из приверженцев которой был Г. Гельмгольц. Он полагал, что все физические силы, господствующие в природе, должны быть объяснены на основе притяжения и отталкивания. Однако создание электромагнитной картины мира столкнулось с трудностями.

1. Основным понятием механики Галилея -- Ньютона было понятие вещества, имеющего массу, но оказалось, что вещество может обладать зарядом.

Заряд -- это физическое свойство вещества создавать вокруг себя физическое поле, оказывающее физическое воздействие на другие заряженные тела, вещества (притяжение, отталкивание).

2. Заряд и масса вещества могут иметь разную величину, т. е. являются дискретными величинами. В то же время понятие физического поля предполагает передачу физического взаимодействия непрерывно от одной его точки к другой. Это означает, что электрические и магнитные силы являются близкодействующими силами, поскольку в физическом поле нет пустого пространства, не заполненного электромагнитными волнами.

3. В механике Галилея -- Ньютона возможна бесконечно большая скорость физического взаимодействия, здесь же утверждается, что электромагнитные волны распространяются с большой, но конечной скоростью.

4. Почему сила гравитации и сила электромагнитного взаимодействия действуют независимо друг от друга? При удалении от Земли сила тяжести уменьшается, ослабевает, а электромагнитные сигналы действуют в космическом корабле точно таким же образом, как и на Земле. В XIX в. можно было привести столь же убедительный пример без космического корабля.

5. Открытие в 1902г. П.Лебедевым (1866--1912) -- профессором Московского университета -- светового давления обострило вопрос о физической природе света: является ли он потоком частиц или только электромагнитными волнами определенной длины? Давление, как физическое явление, связано с понятием вещества, с дискретностью -- точнее. Таким образом, давление света свидетельствовало о дискретной природе света как потока частиц.

6. Сходство убывания гравитационных и электромагнитных сил -- по закону «обратно пропорционально квадрату расстояния» -- вызывало законный вопрос: почему квадрат расстояния, а, например, не куб? Некоторые ученые стали говорить об электромагнитном поле как об одном из состояний «эфира», заполняющего пространство между планетами и звездами.

Все эти трудности происходили из-за отсутствия в тот период знаний о строении атома, но М. Фарадей был прав, говоря, что, не зная, как устроен атом, мы можем изучать явления, в которых выражается его физическая природа. Действительно электромагнитные волны несут существенную информацию о процессах, происходящих внутри атомов химических элементов и молекул вещества. Они представляют информацию о далеком прошлом и настоящем Вселенной: о температуре космических тел, их химическом составе, расстоянии до них и т. д.

7. В настоящее время используется следующая шкала электромагнитных волн:

радиоволны с длиной волны от 104 до 10^-3 м;

инфракрасные волны -- от 10-3 до 810-7 м;

видимый свет -- от 8 * 10-7 до 4 * 10-7 м;

ультрафиолетовые волны -- от 4*10-7 до 10-8 м;

рентгеновские волны (лучи) -- от 10-8 до 10-11 м;

гамма-излучение -- от 10-11 до 10-13 м.

8. Что касается практических аспектов изучения электрических и магнитных сил, то оно осуществлялось в XIX в. быстрыми темпами: первая телеграфная линия между городами (1844), прокладка перового трансатлантического кабеля (1866), телефон (1876), лампа накаливания (1879), радиоприемник (1895).

Минимальной порцией электромагнитной энергии является фотон. Это самое малое неделимое количество электромагнитного излучения.

Сенсацией начала XXI в. является создание российскими учеными из г. Троицка (Подмосковье) полимера из атомов углерода, который обладает свойствами магнита. Обычно считалось, что наличие металлов в веществе ответственно за магнитные свойства. Проверка этого полимера на металличность показала, что в нем нет присутствия металлов.

4.6. Специальная теория относительности (СТО)

В основе СТО лежат два принципа или постулата, которые не объясняют, почему должно происходить именно таким образом, а не иначе. Однако построенная на их принятии теория позволяет точно описывать события, происходящие в мире.

1. Все физические законы должны выглядеть одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета.

2. Скорость света в вакууме не изменяется при изменении состояния движения источника света.

Следствия, вытекающие из первого принципа:

1. Не только законы механического движения, как было в классической механике, но и законы других физических явлений должны выглядеть или проявлять себя одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

2. Все инерциальные системы отсчета равноправны. Следовательно, нет привилегированной системы отсчета, будь то Земля или эфир.

3. Понятие эфира как абсолютной системы отсчета лишено физического смысла.

Следствия, вытекающие из второго принципа:

1. Не существует бесконечно большой скорости распространения физического взаимодействия в мире.

2. В физическом мире взаимодействие не осуществляется мгновенно со скоростью, превышающей скорость света.

Следствия, вытекающие совместно из двух принципов СТО:

1. В мире нет одновременных событий.

2. Нельзя рассматривать пространство и время как независимые друг от друга свойства физического мира.

3. Преобразования Лоренца имеют физический смысл. Доказательство связи пространства и времени можно пояснить на следующем примере:

Предположим, что имеются две инерциальные системы отсчета, которые равноправны в описании физических событий, т. е. каждая дает объективные описания: человек, стоящий на железнодорожной платформе (смотритель), и пассажир движущегося с одинаковой скоростью поезда от-носительно платформы и стационарного смотрителя. Над головой пассажира находится осветительная электрическая лампочка, которая вспыхивает в момент, когда пассажир, сидящий у окна вагона, и смотритель, стоящий на платформе, окажутся точно друг против друга по ходу движения поезда. Классическая механика дает следующее описание этого события.

Время имеет абсолютный смысл, поэтому оно не зависит от пространственного перемещения событий. Смотритель стоит, пассажир движется, но ритм времени для них один и тот же. СТО дает другое решение:

1. Для пассажира в вагоне свет достигнет обеих стенок вагона одновременно, поскольку во всех инерциальных системах отсчета свет распространятся по всем направлениям с одинаковой скоростью.

2. У смотрителя будет другая точка зрения. Он скажет, что заднюю стенку (она движется к свету по ходу поезда) свет достигнет раньше, чем переднюю стенку вагона, поскольку он ее догоняет по ходу поезда.

Далее, если заранее установить одно и то же время на часах смотрителя и пассажира поезда, то для станционного смотрителя часы у задней стенки вагона будут показывать время, отличное от времени на циферблате часов у передней стенки. Они будут показывать, что свет достигает заднюю стенку раньше, чем переднюю стенку. Следовательно, одни часы идут быстрее, другие -- медленнее. Таким образом, пространство и время, по СТО, взаимосвязаны между собою и являются не абсолютными, как было у Галилея -- Ньютона, а относительными: скорость хода часов зависит от места их положения в пространстве, место положения в пространстве влияет на скорость хода часов.

Недостатки СТО:

1. В ней речь идет только об инерциальных системах отсчета. Но большинство систем отсчета являются в реальной жизни неинерциальными (изменяется ускорение и скорость со временем).

2. В ней не учитывается действие силы гравитации на свет. Поиск устранения этих изъянов СТО привел к созданию ОТО.

4.7 Основные идеи общей теории относительности (ОТО)

ОТО основывается на двух принципах или постулатах:

1. Принцип относительности.

2. Принцип эквивалентности тяжелой и инертной масс тела. Первый принцип утверждает, что законы физики должны иметь один и тот же вид не только в инерциальных системах, но и в неинерциальных системах отсчета, т. е. инерциальные системы отсчета не должны рассматриваться как привилегированные системы отсчета, как это делала классическая механика. Анализируя неинерциальные системы отсчета, движущиеся с одинаковым ускорением, Эйнштейн пришел к неожиданному выводу о том, что в этих системах возникает явление, сходное с явлением тяготения в однородном поле гравитации. Однородное гравитационное поле -- это некая абстракция или идеализация. В этом поле сила гравитации имеет одинаковую величину по всем его направлениям и в каждой его точке. Учитывая это сходство, А. Эйнштейн пришел к выводу, что силу тяжести можно создать или уничтожить переходом в систему отсчета, движущуюся с ускорением. Например, если человек находится в лифте без окон вне действия силы тяготения, то он будет находиться в состоянии невесомости. Все окружающие его предметы и он сам не будут притягиваться к полу лифта. Если мысленно тянуть лифт вверх с помощью каната со скоростью, равной ускорению свободного падения на Земле, то этот человек ощутит действия силы гравитации, которая будет аналогична силе гравитации в однородном гравитационном поле, где в каждой его точке ускорение свободного падения тел имеет одну и ту же величину. На самом деле из внешней системы отсчета правильно говорить о том, что лифт, его пол, движется к находящемуся в нем человеку и предметам.

Принцип эквивалентности тяжелой и инертной масс. В этом принципе содержится ответ на вопрос, который задавал себе Эйнштейн: от чего зависит действие силы тяготения, чем она определяется? В физике Ньютона тяготение зависит исключительно от массы тел. Из закона свободного падения тел, открытого Галилеем, следовало, что между тяжелой и инертной массами тела существует пропорциональная зависимость, которая позволяет допустить, что между этими массами тела нет существенного различия, когда мы говорим о действии силы гравитации.

Поскольку все тела падают с одним и тем же ускорением независимо от их веса, то это говорит о том, что инертная масса тел пропорциональна их гравитационной массе. Отношение Мi/mi, (где mi -- инертная масса любого тела, Мi -- гравитационная масса этого же тела) при свободном падении тел остается постоянным для всех тел независимо от их реальной физической природы (сделанные из дерева или металла и т. п.). В 1890 г. венгерский физик Этвеш экспериментально доказал справедливость предположения физики Галилея -- Ньютона о пропорциональности инертной и гравитационной масс тела. У Ньютона это отношение было меньше 10-8 (М1/т1 < 10-8). В дальнейшем эта величина оказалась еще меньше, что позволяет говорить о равенстве, эквивалентности этих масс тела.

Анализируя физический смысл пропорционального соответствия между инертной и тяжелой массами тела, а также природу сходства действия силы тяготения с явлением, возникающим в неинерциальной системе отсчета, движущейся с постоянным ускорением, Эйнштейн пришел к выводу, что сила тяготения не зависит от массы тел. Естественно, возникал вопрос: от чего она зависит? На этот вопрос Эйнштейн дал следующий ответ: с теоретической точки зрения есть основания утверждать, что сила тяжести эквивалентна искривлению пространства и искривление пространства эквивалентно действию силы тяготения. В этом решении силе инерции, которая в физике Ньютона рассматривалась как нереальная сила, придается реальный статус. Например, при движении поезда пассажиры наблюдают кажущееся движение предметов вне поезда в противоположную сторону. В теории Эйнштейна этой силе придается реальный смысл. Предположим, что имеется лифт, который закреплен на канате таким образом, что на расположенные в нем предметы не действует сила тяготения. Тогда предметы будут располагаться на одной линии относительно пола лифта. В момент обрезания каната возникнет сила инерции, которая будет стремиться сохранить начальное положение каждого предмета в лифте. Поскольку сила тяготения направлена к центру Земли, то направление силы инерции для каждого предмета лифта не будет одинаковым, а будет зависеть от его расстояния до центра лифта. Для одних предметов она будет направлена вверх, где сила тяготения будет перпендикулярно направлена к центру Земли. В других местах лифта направление силы инерции будет под определенным углом к направлению силы гравитации. В результате пространство внутри падающего лифта будет искривленным. Для наблюдателя вне лифта предметы будут располагаться не на прямой горизонтальной линии, параллельной полу, а на искривленной линии. Свет в таком пространстве будет распространяться не по прямой линии, как этого требовала СТО, а по кривой линии.

4.8 Следствия ОТО

1. Свет в искривленном пространстве-времени не может распространяться с одной и той же скоростью, как требовала СТО. Вблизи источника силы тяготения он распространяется медленнее, чем вдали от него.

2. Ход часов замедляется при приближении к источнику гравитации.

3. В структуре пространство -- время -- энергия (вещество, поле, излучение) возможны образования, структуры, где сила гравитации, представленная соответствующей величиной тензора кривизны, настолько сильна, что из этой структуры, как своеобразной «черной дыры», не может вырваться энергия в виде света, поля и вещества. В уравнение тяготения Эйнштейна входит тензор «энергии-импульса» из 10 компонентов для описания ускорения тела в движущейся среде. Добавление к этому тензору информации (компонентов) о силах, действующих в самой движущейся среде, где находится тело, дает систему уравнений для описания эволюционных процессов во Вселенной.

Создав ОТО, А. Эйнштейн указал на три явления, объяснения которых его теорией и теорией Ньютона давали разные результаты. Это:

- поворот плоскости орбиты Меркурия;

- отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца;

- красное смещение спектральных линий света, излучаемого с поверхности массивных тел.

Эффект поворота плоскости орбиты Меркурия был открыт еще астрономом Леверрье (1811 -- 1877). Теория Ньютона не давала объяснения этому явлению. Речь идет о повороте плоскости орбиты Меркурия вокруг большой оси эллипса, по которому Меркурий движется вокруг Солнца.

Согласно ОТО А. Эйнштейна планеты, завершая полный оборот вокруг Солнца, не могут возвращаться в то же самое место, а сдвигаются несколько вперед и их орбиты поворачиваются медленно в своей плоскости. Этот эффект был предсказан А. Эйнштейном. Проверка вычислений точно совпала с предсказаниями ОТО.

С развитием теории ОТО тесно связана идея создания теории калибровочных полей. Немецкий математик Г. Вейль (1862--1943) в работе «Пространство, время и вещество» (1918) сформулировал принцип, согласно которому физические законы должны быть инвариантными (иметь одинаковый вид) относительно изменения масштабов измерения в системах пространство -- время -- вещество. Преобразование или изменение масштабов измерения может быть как однородным, так и неоднородным от одной точки к другой в пространственно- временных структурах.

Неоднородные преобразования называются калибровочными. В ОТО масштабы длин и времени не зависят от места, времени и состояния движения наблюдателя. Теория Г. Вейля допускает как раз изменения масштабов времени в пространственно-временных структурах.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Чем отличается вещество от физического поля?

2. Каким образом представлена связь электрических и магнитных полей в законах Д. Максвелла?

3. Что нового внесло понятие физического поля в трактовку понятия пространства?

4. Отличие электромагнитной физической картины мира от механической картины мира.

5. Принципы и следствия СТО и СТО.

5. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ КВАНТОВО-ПОЛЕВОЙ КАРТИНЫ МИРА

5.1 Основные открытия в физике на рубеже XIX-XX вв.

Открытие катодных и рентгеновских лучей.

Еще в XVIII в. Б. Франклин высказал предположение о том, что «атомы электричества» меньше атомов тел, в которые они могут проникать. Далее, из исследований М. Фарадея о прохождении электричества через жидкости следовало, что «атомы электричества» имеют дробный заряд и что кроме обычных нейтральных электрических атомов существуют «странные атомы», ионы (в переводе с греческого -- идущий). Это атомы имеют избыток или недостаток одного или нескольких электронов. Изучение прохождения электричества через газы привело к открытию катодных лучей. Катодная трубка -- это стеклянная, запаянная с двух концов трубка, в которую впаяны две металлические пластинки, соединенные с полюсами источника постоянного тока (катод -- с отрицательным полюсом, анод -- с положительным полюсом). В 1859 г. немецкий физик Плюккер (1801 -- 1868) обнаружил, что при прохождении электрического тока в сильно разряженном пространстве трубки (откачен воздух) с поверхности катода выходят лучи, которые заставляют светиться те части стенок трубки, на которые они падают.

Английский физик У. Крукс (1832--1919) дал следующее объяснение этому явлению: эти частицы отрицательно заряжены и движутся с огромной скоростью, и они входят в состав атомов, из которых состоят химические элементы. Из его гипотезы выходило, что атом есть составное физическое образование. Многие считали тогда эту гипотезу ложной. Катодные лучи оказались интересным объектом. Исследование их привело к открытию электрона и рентгеновских лучей. Помещение катодных лучей в магнитном поле вело к искривлению их пути. Направление, в котором шло искривление их пути, говорило, что они заряжены отрицательно. Другим же явлением, связанным с катодными лучами, было свечение лучей зеленого света, которые исходили из тех мест стеклянной трубки, на которые катодные лучи падали. Если на пути этого «зеленого свечения» поставить препятствие, то они давали изображение этого препятствия на бумаге, покрытой чувствительной световой эмульсией.

В 1895 г. немецкий физик В. Рентген (1845--1923) чисто случайно открыл это явление, назвав их лучами X.

Открытие электрона. Термин «электрон» был предложен ирландским физиком Д. Стонеем в 1891 г.

В буквальном переводе с греческого языка на русский электрон означает янтарный. Развивая идеи М. Фарадея, Дж. Стоней предложил рассматривать катодные лучи как поток электронов (отрицательно заряженных частиц с одинаковой порцией заряда). Открытие электрона связано с именем английского физика Дж. Дж. Томсона. Для открытия электрона он использовал зависимость ускорения частицы от ее заряда и массы (а = е/т, где а -- ускорение, е -- заряд частицы, т -- масса частицы). Величина ускорения частиц катодных лучей, помещенных в электрическое или магнитное поле, зависит от отношения е/т в электрическом поле, а в магнитном поле еще от их скорости. Комбинируя воздействия на катодные лучи электрического и магнитного полей, Томсон получил два уравнения, решение которых убеждало, что катодные лучи -- это поток частиц одинакового заряда и одинаковой массы, движущейся с достаточно высокой скоростью, зависящей от разности потенциалов между катодом и анодом трубки. В дальнейшем Томсон измерил соотношение е/т применительно к частицам, выходящим из металла при освещении его ультрафиолетовым светом. Оказалось, что эти частицы также являются электронами. В начале ХХ в. американский физик Р. Милликен измерил электрический заряд электрона. Заряд электрона равен -- 1, масса покоя - 9,109534 * 10-31 кг.

Дж. Дж. Томсону принадлежит первая эвристическая модель атома, которая получила название «изюминки в тесте»: атом -- это сфера с плотной однородной положительной электронизацией, в которую встроены отрицательные электроны. Модель не отвечала наблюдаемым фактам: атомы устойчивы, электрически нейтральны, заряд электронов отрицательный, а общая сфера атома, по Томсону, является положительной. Следовательно, возникает вопрос: каким образом атом как система может существовать? В 1904 г. Дж. Дж. Томсон предположил, что электроны вращаются в атоме, но, каков механизм этого вращения в атоме, оставалось непонятным. В дальнейшем Дж. Дж. Томсон не занимался этой проблемой.

Этой проблемой увлекся молодой физик 3. Резерфорд (1871--1937). Он поступил в докторантуру Дж. Дж. Томсона в 1895 г. за год до открытия случайным образом французскими физиком А. Беккерелем радиоактивности. Э. Резерфорд сразу же заинтересовался этим необычным для классической физики явлением.

Открытие радиоактивности. В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) и ее муж Пьер Кюри (1859-1906) обнаружили, что уран в результате излучения превращается таинственным образом в другие химические элементы (полоний и радий). Радий по-латыни означает испускающий лучи, полоний назван в память о родине Марии Склодовской-Кюри -- Польше.

Термин «радиоактивность» был введен в научный язык Марией Склодовской-Кюри в 1899 г. В магнитном поле эти лучи расщеплялись на два излучения. В 1903 г. Э.Резерфорд дал им название: б- и в-излучение.

Пьера и Марию Кюри особо заинтересовал радий, который в миллион раз оказался активнее, чем уран. Воздействие излучения, исходящего из радия, на раковые клетки показало замедление их роста, поэтому выделение радия в чистом виде привлекло внимание не только физиков, но и медиков и биологов. В 1912 г. во Франции был создан институт Радия, который стал развивать одно из направлений в науке -- радиобиологию. Э. Резерфорд и его сотрудник Фредерик Содди (1877--1956) тщательно изучили процесс излучения радия и пришли к неожиданным выводам.

Радиоактивность связана с превращением одних химических элементов в другие естественным путем. В атоме сосредоточена огромная энергия. Радиоактивность не зависит от состояния окружающей среды. Радий (Ra) за счет внутреннего энергетического ресурса превращался в газ радон (Rn). Это превращение сопровождалось б-излучением. В науке появилась новая химическая формула, выражающая этот процесс, которой не было раньше: Ra - Rn + He (б). Раньше считалось, чтобы получить новое вещество, необходимо внешнее воздействие: соединение, разложение, нагревание и т. д. В то же время излучение радия было постоянным, практически без потери его массы и независимо от состояния окружающей среды.

Э. Резерфорд предположил, что если облучать вещество таким тонким инструментом, как поток б-частиц, ядрами гелия (размер ядра атома равен приблизительно 10-13 см), то можно выяснить строение атома любого вещества. Он проделал эксперимент, который позволили ему высказать фразу: «Я знаю, как устроен атом». Металлическая пластинка из бериллия облучалась потоком б-частиц. Приблизительно одна из 3000 б-частиц отскакивала при этом от металлической пластинки, как бы сталкиваясь с положительно заряженной частью атома, поскольку б-частицы имеют положительный заряд.

Тонкие вычисления при объяснении этого эксперимента позволили Э. Резерфорду предложить «планетарную модель атома»: в центре атома расположена положительно заряженная область - ядро, вокруг которого вращаются электроны, как по орбитам вокруг Солнца вращаются планеты. Однако было не ясно, как электрон удерживается в атоме. Н. Бор (1885--1961), который работал в лаборатории Э. Резерфорда в начале прошлого века, был первым из тех, кто предложил объяснение этого явления. Для этой цели он использовал ряд известных к тому времени идей: гипотезу М. Планка, фотонную теорию света А. Эйнштейна и результаты спектрального анализа атома водорода.

5.2 Гипотеза М. Планка

М. Планк, изучая проблему теплового излучения, выдвинул в 1900 г. гипотезу, согласно которой механизм «траты» энергии в природе осуществляется минимальными порциями в минимальные единицы времени. Иначе говоря, в природе установлен как бы порционный порядок перехода энергии из одного вида

в другой. Из анализа кривых излучения абсолютно черного тела, вид которых был установлен эмпирически, М. Планк получил формулу: W = hf где W -- энергия излучения, f -- частота излучения, h -- постоянная Планка. Постоянная Планка (часто используют вместо величины h более дробную величину ћ = h/2р; где р -- постоянная величина, характеризующая отношение длины окружности к ее диаметру, равна 3,14159) -- это универсальная постоянная, выражающая минимальную порцию квант энергии при всех видах физического взаимодействия энергии в виде вещества, полей, излучения и вакуума. Постоянная Планка представляет масштаб дробности для всех квантов -- действия (энергии). Например, при нагревании тела оно меняет свой цвет. Каждому цвету соответствуют определенные кванты излучения, которые не могут быть меньше величины h (постоянной Планка), равной приблизительно 6,6261176 · 10--34 Дж · с.

М. Планк рассматривал квант энергии лишь как удачную гипотезу для объяснения данных наблюдения динамики теплового излучения. Однако Н. Бор придал этому понятию определенный физический смысл: в атоме энергетического положения (уровня) электрона происходит путем излучения или приобретения им квант энергии. Но это было уже в начале второго десятилетия ХХ в., когда Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты.

В 1905 г. А. Эйнштейн перешел от гипотезы о квантах М. Планка к теории квантов света, т. е. фотонной теории света. Он утверждал, что свет как электронно-магнитные волны имеет двойственную природу: в одних случаях ведет себя как волна, в других -- как частица. Когда свет ведет себя как волна, тогда он подчиняется законам Дж. Максвелла, а когда он ведет себя (обнаруживает себя) как частица, то его. целесообразно рассматривать как газообразное тело, состоящее из частиц, фотонов, квантов света. Термин «фотон» придуман в 1926 г. Дж. Н. Льюисом (физик, химик). В конце XIX в. были созданы методы спектрального анализа. В частности, была известна математическая формула И. Бальмера (учитель математики). В этой формуле было выражено отношение между длинами волн зеленого, красного, синего и других цветов спектра атома водорода. Когда Н. Бор проанализировал формулу И. Бальмера, он, как потом писал, понял, что в атоме управляет, господствует энергия квантов.

Действительно, в этой формуле была представлена последовательность чередования переменных целых числовых значений, из которых вычиталась некоторая постоянная величина, типа постоянной Планка.

Н. Бор сформулировал в 1913 г. постулаты для объяснения модели атома Резерфорда.

Первый постулат (постулат стационарного состояния атома). Согласно ему, в атоме разрешено стационарное состояние, при котором электрон может находиться на определенной орбите (энергетическом уровне) и не излучать энергии. Речь идет о состоянии, когда на атом не действуют внешние силы. В этом стационарном состоянии атом может находиться сколь угодно долго. Первый постулат противоречит электродинамике Д. Максвелла: движущийся электрон всегда должен создавать вокруг себя электромагнитное поле, излучать энергию. Следовательно, его масса должна и уменьшаться, и поскольку его масса существенно меньше ядра атома, то сила тяготения «заставит» его упасть на ядро атома.

...