Макромир: концепции классической физики. Механика, оптика, электродинамика

Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать исследование необходимо с концепций классической физики.

Механика (от греч. mechanike — искусство построения машин) — наука о простейшей форме движения материи механическом движении, которое состоит в изменении взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени и происходящих при этом взаимодействиях между телами.

И. Ныотон, опираясь на труды Г. Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую движение небесных тел и движение земных объектов одними и теми же законами. В своем основном труде «Математические начала натуральной философии» он обобщил открытия Галилея в двух законах механики, добавив к ним третий закон и закон всемирного тяготения.

Первый закон, или закон инерции, открытый еще Галилеем, но сформулированный Ньютоном более строго, гласит: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние»1.

В современной формулировке закон инерции выглядит так: «Если на материальную точку не действуют силы, то она сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения».

Второй закон механики Ньютона — дифференциальный закон движения, описывающий зависимость ускорения тела от равнодействующей всех приложенных к телу сил, утверждает: «Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, но которой эта сила действует»[1] [2].

Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на создаваемое этой силой ускорение или F= та, причем направления силы и ускорения совпадают.

Третий закон отражает тот факт, что действие тел всегда носит характер взаимодействия, и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

Четвертый закон, сформулированный Ньютоном, — это закон всемирного тяготения, записывается в виде:

Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации, т.е. определяет силу тяготения между материальными телами.

Важность закона всемирного тяготения состоит в том, что Ныотон при его помощи обосновал систему Коперника и законы Кеплера.

Следует обратить внимание на важный факт, свидетельствующий о глубокой интуиции Ныотопа. Фактически Ньютон установил пропорциональность между массой и весом, что означало, что масса является не только мерой инертности, но мерой гравитации. Впоследствии А. Эйнштейн, считая равенство инерционной и гравитационной масс фундаментальным законом природы, положил его в основу общей теории относительности, или ОТО.

Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других теорий, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Оптика (от др.-греч. дкххкц — появление или взгляд) описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц — корпускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и, попадая в глаз, вызывают ощущение света. На базе этой теории Ньютон дал объяснение законам отражения и преломления света.

Наряду с механистической корпускулярной теорией осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно на основе волновой теории, сформулированной нидерландским физиком X. Гюйгенсом (1629—1695). Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, — светоносного эфира. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких- либо помех, в точности, как два ряда волн на воде.

Согласно же корпускулярной теории между пучками излученных частиц, из которых состоит свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. На основе волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света.

Однако против волновой теории существовало одно важное возражение. Как известно, волны обтекают препятствия. Л луч света, распространяясь по прямой, обтекать препятствия не может. Если на пути луча света поместить непрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу. Однако это возражение вскоре было снято благодаря опытам итальянского физика и астронома Ф. М. Гримальди (1618—1663). При более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаруживалось, что на границах резких теней можно видеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было названо дифракцией света. Именно открытие дифракции сделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако авторитет И. Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теория воспринималась безоговорочно, несмотря на то что на ее основе нельзя было объяснить явление дифракции.

Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в. английским физиком Т. Юнгом (1773— 1829) и французским естествоиспытателем О. Френелем (1788-1827).

Т. Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет.

Суть ее можно описать с помощью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волновое движение. При наложении цепочек волн в противоположных фазах, гребень одной волны совмещается со впадиной другой, и волны уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы.

Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механистической корпускулярной теории света.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея (1791 — 1867) и теоретические работы английского физика Дж. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электродинамике — теории электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед (1777—1851), который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. Явление электромагнитной индукции, открытое им, состоит в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Осмысливая свои эксперименты, М. Фарадей ввел понятие «силовые линии». Обладая талантом экспериментатора и богатым воображением, он с классической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их «силовом поле». На основе представления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство между электричеством и светом. Он хотел построить и экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смелой для того времени, но достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное.

М. Фарадей пришел к выводу, что электричество взаимосвязано с оптикой, и они образуют единую область.

Его работы стали исходным пунктом для исследований Дж. Максвелла, заслуга которого состояла в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы, Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально вводилось как вспомогательное математическое понятие. Дж. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное иоле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии»1. Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био — Савара) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем вычислил систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта система уравнений в пределах своей применимости дает полное описание электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.

Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного существования поля, не «привязанного» к электрическим зарядам. В дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного полей являются производными по времени не от своих, а от чужих полей: электрическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического. Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и переменное электрическое ноле, которое в свою очередь ведет к изменению магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного нолей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве. Вычисленная Максвеллом скорость распространения электромагнитного поля оказалась равной скорости света. Исходя из этого, Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнит-

Цит. по: Кудрявцев П. С. Kvpc истории физики. М. : Просвещение, 1974. С. 179.

ные волны. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем (1857—1894) в 1888 г.

В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые характерны для световых волн, а затем измерил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света. Это прямо подтвердило гипотезу Дж. Максвелла.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый вид материи.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

Вещество и поле в классической физике считались различными видами материи, тесно связанными друг с другом, хотя и резко различающимися по своим свойствам. Обе формы материи обладают такими характеристиками, как масса, энергия и импульс.

Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

Вещество и ноле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет.

Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее па много порядков.

  • [1] Ньютон И. Математические начала натуральной философии. М. :Паука, 1989. С. 232.
  • [2] Там же. С. 41.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >