Глава 1. Введение

Понятие "физическая картина мира" употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания - самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий.

Ключевым в физической картине мира служит понятие "материя", на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым - континуальным. Затем, в XX в., континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.

Этапы построения современной физической картины мира:

1. Классическая физика: механика, оптика, термодинамика, электродинамика

2. Неклассическая физика: специальная и общая теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля, элементы построения единой теории поля.

История: Ядром первой естественно-научной картины мира стало учение Аристотеля.По Аристотелю, каждая вещь — соединение материи и формы. При этом материя данной вещи является в свою очередь формой для материи тех элементов, из которых эта вещь состоит.

Первоматерия лишена всякой формы, всяких свойств и качеств. Это – субстанция, не имеющая определенности. Соединяясь с простейшими формами, она образует первые элементы, из которых состоят все вещи. Простейшие формы – теплое, холодное, сухое и влажное. Соединяясь с первоматерией, они образуют четыре первоэлемента: огонь, воздух, вода и земля. Вещество непрерывно, то есть любой кусочек вещества можно бесконечно дробить на более мелкие кусочки.

Центральное понятие аристотелевской физики – понятие движения. Аристотель разработал первую историческую форму учения о движении – механику. Все механические движения он разбивает на две большие группы: движение небесных тел в надлунном мире; движение тел в подлунном, земном мире.

Движение небесных тел – наиболее совершенное. Оно представляет собой вращательное равномерное круговое движение, или движение, сложенное из таких простых круговых равномерных движений. Совершенство кругового движения в том, что у него нет ни начала, ни конца; оно вечно и неизменно, не имеет материальной причины.

В период позднего Средневековья (XIV—XV вв.) постепенно осуществляется пересмотр основных представлений античной естественно-научной картины мира и складываются предпосылки для создания нового естествознания, новой физики, новой астрономии.

Качественные сдвиги происходят также в кинематике и динамике. В кинематике средневековые схоласты вводят понятия «средняя скорость», «мгновенная скорость», «равноускоренное движение» (они его называли «униформно-дифформное»). Мгновенную скорость в данный момент они определяют как скорость, с какой стало бы двигаться тело, если бы с этого момента времени его движение стало равномерным. Постепенно вызревает понятие ускорения. Схоласты уже догадываются, что путь, пройденный телом при равноускоренном движении без начальной скорости за известный промежуток времени, равен пути, который пройдет это же тело за то же время с постоянной скоростью, равной средней скорости равноускоренного движения.

В эпоху позднего Средневековья в динамике значительное развитие получила теория импетуса (лат. impetus — стремительность, напор), которая была мостом, соединявшим динамику Аристотеля с динамикой Галилея. Французский философ-схоласт Жан Буридан (XIV в.) объяснял падение тел с точки зрения теории импетуса. Он считал, что при падении тел тяжесть запечатлевает в падающем теле импетус, поэтому и скорость его во время падения возрастает. Величина импетуса, по его мнению, определяется и скоростью, сообщенной телу, и «качеством материи» этого тела. Импетус расходуется в процессе движения на преодоление трения; когда импетус растрачивается, тело останавливается.

Возникновение классической механики явилось началом превращения физики в строгую науку, систему знаний в 16-17 веках. Это связано с именами Галилео Галилея и Исаака Ньютона. Они заложили основы экспериментально-математического взгляда на природу.

Галилей: разработка понятий и принципов «земной динамики».

Исторический вклад Галилея в механику состоит в следующем:

+ он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движений;

+ сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости);

+ показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;

+ вывел формулу, связывающую ускорение, путь и время:

S = 1/2 at²;

+ сформулировал принцип инерции (если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения);

+ выработал понятие инерциальной системы;

+ сформулировал принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);

+ открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).

На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, X. Гюйгенс получил решения задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение для определения центробежной силы.

Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют «отец современного естествознания»

Ньютон: в работе «Математические начала натуральной философии» вводит понятие масса или количество материи, инерция или свойство тела сопротивляться изменению состояния покоя или движения, вес как мера массы, сила, или действие, производимое на тело для изменения его состояния. Закон всемирного тяготения: сила тяготения действует между всеми материальными телами на расстоянии.

Корпускулярная теория света. Оптика – важнейшая часть физики, более «молодая», чем механика. Начало научной оптики связано с открытием законов отражения и преломления света в начале XVII в. (В. Снеллиус, Р. Декарт). Большую трудность для зарождающейся оптики представляло объяснение цветов. Поэтому по праву вторым великим достижением Ньютона было открытие (1666) того, что белый свет состоит из света различных цветов и, следовательно, цветной свет имеет более простую природу, чем белый.

Ньютон изобрел в 1668 г. отражательный зеркальный телескоп — рефлектор. В 1672 г. он построил первый в мире рефлектор.

В 1672 г. Ньютон изложил перед членами Лондонского королевского общества и свою новую корпускулярную концепцию света. В соответствии с этой концепцией свет представляет собой поток «световых частиц», наделенных изначальными неизменными свойствами и взаимодействующих с телами. Корпускулы распространяются в эфире и взаимодействуют с ним, сгущая или разряжая его. Цвет — это не результат преломления или отражения света в среде. Цвет присущ свету изначально и связан со свойствами корпускул. Корпускулярная теория хорошо объясняла аберрацию и дисперсию света, но плохо объясняла интерференцию, дифракцию и поляризацию света.

Вместе с тем Ньютон со вниманием относился и к высказанной нидерландским ученым X. Гюйгенсом волновой теории света (1690), в соответствии с которой свет — это волновое движение в эфире. На основе волнового принципа Гюйгенсу удалось вывести законы отражения и преломления света.

В XVII в. широко обсуждался и вопрос о том, конечна или бесконечна скорость света. Долгое время для эмпирического обоснования ответа на этот вопрос не было достаточных фактов. Большое значение для развития физических идей имело открытие О. Рёмера, сделанное им на основе наблюдений затмения одного из спутников Юпитера в 1676 г., что скорость света в пустом пространстве конечна и равна 300 000 км/с.

7.1.6. Волновая теория света. Интерес к оптическим проблемам в начале XIX в. был продиктован развитием учения об электричестве, химии и паротехнике. Казалось очень вероятным, что в природе теплоты, света и электричества есть нечто общее. Открытие и изучение фотохимических реакций, химических реакций с выделением теплоты и света, тепловых и химических действий электричества — все это заставляло думать, что изучение света окажется полезным для решения важных научных и практических задач.

В XVIII в. подавляющее большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла многие, но не все оптические явления. В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей волновой оптики. В оптике происходит настоящая научная революция, закончившаяся победой волновой теории света над корпускулярной.

Первым в защиту волновой теории света выступил в 1799 г. английский врач Т. Юнг, разносторонне образованный человек, занимавшийся исследованиями в области математики, физики, механики, ботаники и т.д., обладавший обширными знаниями в литературе, истории, многое сделавший для расшифровки египетских иероглифов. Юнг критиковал корпускулярную теорию света, указывая на явления, которые нельзя объяснить с ее позиций, в частности, одинаковые скорости световых корпускул, выбрасываемых слабыми и сильными источниками, а также то обстоятельство, что при переходе из одной среды в другую одна часть лучей постоянно отражается, а другая постоянно преломляется. Юнг предложил рассматривать свет как колеблющееся движение частиц эфира: «...Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет Вселенную... Колебательные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, как тело начинает светиться». Волновую природу света он обосновывал прежде всего явлением интерференции света.

Опыт, демонстрирующий явление интерференции света, состоит в следующем. В экране прокалывают два маленьких отверстия на близком расстоянии друг от друга и освещают его солнечным светом, проходящим через отверстие в окне. За этим экраном помещают второй экран, на который падают два световых конуса, образовавшиеся за первым экраном. В том месте, где эти конусы перекрываются, на втором экране видны светлые и темные полосы. От присоединения света к свету образуется темнота! Юнг правильно предположил, что темные полосы образуются там, где гребни световых волн поглощают друг друга. Если закрыть одно отверстие, то полосы пропадают, а на экране видны только дифракционные кольца. Измеряя расстояние между кольцами, Юнг определил длины волн красного, фиолетового и некоторых других цветов. Он рассмотрел и некоторые случаи дифракции света. Появление дифракционных полос он объяснял интерференцией двух волн: прошедшей прямо и отраженной от края препятствия. Кроме того, он высказал важную догадку о том, что явление поляризации света возможно только в том случае, если световая волна является поперечной, а не продольной.

Хотя работы Юнга свидетельствовали в пользу волновой теории света, они тем не менее не привели к отказу от корпускулярной теории, которая продолжала господствовать в оптике.

В 1815 г. против корпускулярной теории выступил французский ученый О.Френель. После окончания Политехнической школы в Париже он работал в провинции инженером по прокладке и ремонту дорог, а в свободное время занимался научными исследованиями. Заинтересовался вопросами оптики и самостоятельно пришел к убеждению, что справедлива не корпускулярная, а волновая теория света. В 1818 г. Френель объединил полученные результаты и изложил их в работе о дифракции света, представленной на конкурс, объявленный Французской академией наук.

Работу Френеля рассматривала специальная комиссия в составе Ж.Б. Био, Д.Ф. Араго, П.С. Лапласа, Ж.Л. Гей-Люссака и С.Д. Пуассона — сторонников корпускулярной теории. Но результаты работы Френеля настолько соответствовали эксперименту, что просто отвергнуть ее было невозможно. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствие, противоречащее здравому смыслу: как будто в центре тени от круглого экрана должно наблюдаться светлое пятно. Эту «несообразность» подтвердил опыт: возражение превратилось в свою противоположность. Комиссия в конце концов признала правильность результатов волновой теории Френеля и присудила ему премию [1]. Однако теория Френеля еще не стала общепринятой, и большинство физиков продолжало придерживаться старых взглядов.

Заключительным аккордом в борьбе корпускулярной и волновой теорий света явились результаты измерения скорости света в воде. Согласно корпускулярной теории, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в оптически менее плотной, а по волновой теории — наоборот. В 1850 г. французские физики Ж.Б.Л. Фуко и А.И.Л. Физо, измеряя скорость света с помощью вращающегося зеркала, показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердили волновую теорию света. К середине XIX в. приверженцев корпускулярной теории света осталось уже мало.

Принцип дальнодействия. Но как это обычно бывает, большинство последователей Ньютона нередко отходили от его подлинно глубоких идей, забыв или вовсе не зная о его осторожных и тонких замечаниях. В XVIII в. они крайне упростили ту физическую картину мира, которая проступала перед мысленным взором Ньютона. Так, например, утвердилось представление о существовании бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового пространства, между тем как Ньютон склонялся к идее крайней разреженности мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. Утвердился также и жесткий принцип дальнодействия как передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Принцип дальнодействия гласит, что если тело А, находящееся в точке а, действует на другое тело В, то тело В, находящееся в точке Ъ, испытывает это воздействие в тот оке момент.

Ньютон же считал необходимым наличие некоего передатчика этого действия, «агента», правда, допуская его, быть может, нематериальную природу. Но подобные тонкости уже не вдохновляли физиков века Просвещения, когда научная революция закончилась и набирало темпы развития экспериментальное естествознание. Критерии к результатам научных исследований на эволюционном этапе развития физики (по сравнению со временем ньютонианской революции) изменились — они стали более упрощенными, стандартизованными; при этом были нужны немедленный эффект и простейшее обоснование.

Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических объектов незаметно, поскольку притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Лишь высокочувствительные устройства в состоянии уловить гравитационные эффекты. Только в 1774 г. английский ученый Н. Маскелайн обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением находящейся поблизости горы. В 1797 г. английский физик и химик Г. Кавендиш поставил знаменитый эксперимент по измерению едва уловимой силы притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами; это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.