Электромагнитная картина мира

Во второй половине XIX в. на основе исследований М. Фарадея и Д. Максвелла возникла электромагнитная картина мира. Новый этап атомистики начался с Майкла Фарадея (1791-1867), связавшего атомную теорию с электричеством. Электричество, как и вещество, тоже обладает атомной структурой. Каждый атом или каждая молекула связаны с одним или несколькими атомами электричества, хотя в то время трудно было сказать, как такая связь осуществляется.

Согласно электромагнитной картине мира материя существует в двух видах — в виде вещества и в виде поля, причем между указанными видами материи имеется непереходимая грань: вещество не превращается в поле, а поле не превращается в вещество.

Количественное изучение электрических явлений началось с работ Кулона (1785 г.), установившего сначала закон взаимодействия электрических зарядов и распространившего его позднее на взаимодействие "магнитных зарядов". Однако вплоть до 1820 г. электрические и магнитные явления рассматривали как различные явления, не связанные между собой.

Открытие Эрстедом в 1820 г. магнитного действия тока показало, что между магнитными и электрическими явлениями существует связь и что магнитные действия можно получить при помощи электрических токов.

Дальнейшими результатами того периода мы обязаны М. Фарадею. Из них особое значение имело открытие электромагнитной индукции. Фарадей исходил из основной идеи о взаимной связи явлений природы. Он считал, что если ток способен вызывать магнитные явления, то и обратно, при помощи магнитов или других токов, можно получить электрические токи. В результате настойчивости и многих попыток Фарадей действительно открыл в 1831 г. это явление, которое еще более укрепило представление о связи между электричеством и магнетизмом.

В работах Максвелла идеи Фарадея подверглись дальнейшему углублению и развитию и были превращены в строгую математическую теорию. В теории Максвелла мысль о тесной связи электрических и магнитных явлений получила окончательное оформление в виде двух основных положений теории. Поэтому теория Максвелла явилась завершением важного этапа в развитии учения об электричестве и привела к классическому представлению об электрическом поле, содержащем в общем случае и электрическое, и магнитное поля, связанные между собой и способные взаимно превращаться друг в друга. Суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля.

Уравнения Максвелла содержат в себе все основные законы электрического и магнитного полей, включая электромагнитную индукцию, и поэтому являются общими уравнениями электромагнитного поля в покоящихся средах.

Теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привело затем Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой также электромагнитные волны.

Электромагнитная картина мира формировалась не только в XIX в., она продолжала формироваться в течение трех десятилетий XX в. Она использовала не только учение об электромагнетизме и достижения атомистики, но также некоторые идеи современной физики.

Описывая обмен энергией между нагретым телом и окружающим пространством, Макс Планк предположил, что такой процесс может быть не непрерывным, а дискретным. Он открыл кванты.

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул теорию, согласно которой свет не только излучается и поглощается, но и состоит из неделимых квантов. Кванты света представляют собой частицы, которые движутся в вакууме со скоростью 300000 км в секунду. В двадцатые годы эти частицы получили название фотонов. Корпускулярная природа света может быть продемонстрирована рядом классических экспериментов, но особенно ярко существование фотонов показывает фотоэлектрический эффект. Таким образом, стали известны два типа полей — электромагнитное и гравитационное. Соответственно есть два фундаментальных взаимодействия.

Через два десятилетия Луи де Бройль, распространив представления Эйнштейна на все элементарные частицы вообще, построил волновую механику.

Понятие эфира зародилось в то время, когда ученые попытались осмыслить природу света. Автором первой эфирной теории света был голландский математик, астроном и физик Христиан Гюйгенс. Согласно его теории всякое светящееся тело порождает волны, которые, распространяясь во все стороны, достигают глаз наблюдателя. Подобно колебаниям, вызванным звоном колокола. Но если ударить в колокол, находящийся в пустоте, звона не будет. Тогда как свет, в отличие от звука, отлично распространяется в вакууме, несмотря на отсутствие среды, способной передавать колебания. Это обстоятельство заставило Гюйгенса наполнить пустоту неким гипотетическим эфиром, способным передавать волны света.

Эфир означает по-гречески “воздух”, “небо”, “верхние сферы”. Работники радио и телевидения до сих пор говорят о том, что они готовят передачи для “вещания в эфир”. Древнее слово оказалось живучим.

Какова бы ни была его природа, эфир, по убеждению ученых, наполнял собой все пространство, пронизывал все вещество, проникая между всеми атомами. Свойства света и в самом деле были таковы, что их нельзя было объяснить, не прибегая к среде, способной передавать волновое излучение на миллионы километров, не ослабляя его энергию.

Опыт Майкельсона: полупрозрачное зеркало сначала расщепляло луч на два взаимно перпендикулярных, которые, в свою очередь, отразившись от расположенных на равных расстояниях зеркал, соединялись вновь. Опыт показал, что “эфирный ветер” не оказывает никакого влияния на свет. Майкельсон пришел к выводу, что гипотеза неподвижного эфира ошибочна. Напрашивался вывод, что эфир, если он существует, не неподвижен относительно Земли.

Эрнст Мах тотчас же потребовал отказаться от идеи эфира. Зато лорд Кельвин продолжал по-прежнему верить в эфир. Кельвин и Рэлей обратились к Майкельсону с предложением проверить влияние движения среды на скорость света. Результат был опубликован в 1887 году. Джон Бернал назвал его “величайшим из всех отрицательных результатов в истории науки”.

Хотя опыт, как говорится, поставил крест на неподвижном эфире, все же оставалась возможность, что “Земля увлекает за собой эфир, придавая ему почти ту же скорость, с какой движется сама”. Через десять лет Майкельсон экспериментально проверил и эту гипотезу. Результат снова был отрицательным. Но чтобы окончательно похоронить эфир, нужна была теория относительности Эйнштейна. Пока же эксперимент Майкельсона - Морли завел физику в тупик.

В опытах физиков рвался мир, созданный Ньютоном. Окончательно разрушил и в то же время спас этот мир Эйнштейн.

Многие детали электромагнитной картины мира сохранились в современной естественнонаучной картине мира: понятие физического поля, электромагнитная природа сил, ядерная модель атома, дуализм корпускулярных и волновых свойств и многое другое.

Термодинамическая картина мира

Вторая половина XIX в. характеризуется высокими темпами развития всех сложившихся ранее и возникновением новых разделов физики. Особенно быстро развиваются теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты разрабатывается в двух направлениях: совершенствование термодинамики, непосредственно связанной с теплотехникой, и развитие кинетической теории газов, которое привело к возникновению статистической физики.

Сложность причинно-следственных связей проявилась, в частности, в следующем:

Во-первых, у одного и того же следствия могут быть разные причины: например, превращение насыщенного пара в жидкость за счет повышения давления или понижения температуры.

Во-вторых, оказалось, что при тепловых процессах состояние отдельных частиц (молекул) не отражает состояние системы в целом.

Действительно, если рассмотреть, например, тепловое движение, то здесь параметры отдельной частицы: скорость, кинетическая энергия, импульс (называемые также микропараметрами) изменяются без изменения макропараметров (Т⁰, Р, V), характеризующих систему в целом. Следовательно, состояние системы не определяется состоянием отдельных частиц.

Изменения микропараметров частиц описываются статистическими законами, носящими вероятностный характер.

Пристальное изучение тепловых явлений началось уже во 2-й половине 18 в. Это было связано с началом промышленной революции, изобретением и внедрением паровых машин.

Среди ученых, чьи труды легли в основу физики тепловых явлений следует назвать Р.Фурье, который вывел дифференциальное уравнение теплопроводности, Никола Леонарда Сади Карно, исследовавшего работоспособность тепловых машин, Клапейрона, который вывел уравнение состояния газа, впоследствии обобщенное Менделеевым в известное уравнение Клапейрона-Менделеева, и др.

Подлинным основателем механической теории теплоты считается немецкий физик Рудольф Эмануэль (1822-1888), вошедший в историю науки под латинским псевдонимом Клаузиус. В середине 19 в. он начал исследовать принцип эквивалентности теплоты и работы и введя понятие внутренней энергии, пришел к пониманию взаимопревращения энергии.

Энергия (общая мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи): энергия тела (системы) - это способность тела (системы) совершать работу.

Различные виды энергии:

-механическая (энергия движения макроскопических тел)

-электрическая (энергия возникшая в результате движения электронов между атомами)

-химическая (энергия, вызываемая движением электронов внутри атомов)

-ядерная или атомная (энергия обусловленная взаимодействиями внутри атомов и ядер атомов)

-тепловая (энергия беспорядочного движения молекул и атомов)

Изолированные (закрытые) системы - это системы, которые не могут обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Если могут-то это открытые системы.

Необратимые процессы - это процессы, в которых невозможно вернуть систему в исходное состояние без вмешательства извне, т.е. такие процессы могут самопроизвольно протекать в одном определенном направлении.

Рассматривая превращения теплоты и работы макроскопических системах С. Карно фактически положил начало новой науке, которую Томсон впоследствии назвал термодинамикой. Термодинамика ограничивается изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие, не интересуясь вопросами микроскопического движения частиц, составляющих вещество.

Термодинамика, таким образом, рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и термодинамику неравновесных систем (неравновесная термодинамика).

Термодинамика изучает тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества.

Молекулярно-кинетическая теория характеризуется рассмотрением различных макроскопических проявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. Молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда второе название молекулярно-кинетической теории – статистическая физика.

Начала термодинамики:

Первое начало термодинамики. В 1860 г. У. Томсон окончательно заменив устаревший термин “сила” термином “энергия”, записывает первое начало термодинамики в следующей формулировке:

Количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы: Q = ∆U + A. Для бесконечно малых изменений имеем: dQ =dU + dA или

Первое начало термодинамики: теплота сообщаемая телу, расходуется на увеличение его внутренний энергии и на совершение этим телом работы.

Первое начало термодинамики выражает закон сохранения энергии для тех макроскопических явлений, где одним из ведущих параметров, определяющих состояние тел, является температура.

Второе начало термодинамики. Впервые II Начало было, фактически, сформулировано пусть в несовершенной форме, еще в начале 19-го века. Позже Клаузиус ставит задачу связать переход теплоты от одного тела к другому с превращением теплоты в работу и установить количественные соотношения между этими процессами. В реальных тепловых двигателях процесс превращения теплоты в работу неизбежно сопровождается передачей определенного количества теплоты внешней среде. В результате нагреватель охлаждается, внешняя среда нагревается. Это значит, что термодинамические процессы носят необратимый характер, т.е. могут протекать только в одном направлении. Иначе говоря, невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым. Это и есть одна из формулировок второго начала термодинамики.

Формулировка Клаузиуса: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому, при условии, что во всех окружающих телах никаких изменений нет.

Решая эту задачу, Клаузиус вводит понятие энтропии – функции состояния системы. Термин «энтропия» используется для описания количества хаотичности в любой системе. В термодинамике энтропия указывает расположение молекул вещества или организацию энергии системы. Энтропия — это сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии:  , где Δ S — изменение энтропии, Δ Q — изменение теплоты, T — абсолютная термодинамическая температура Понятие энтропии является центральным в термодинамике. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой Т.

Второе начало определяет направления превращения энергии.

Энтропия:

1) Энтропия-это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движении материальных частиц, составляющих систему. Соответственно, повышая упорядоченность системы, энтропия уменьшается.

2) Энтропия-это мера некачественности энергии. Чем больше энтропия системы (т.е. система хаотичней), тем меньше полезной работы та может произвести при заданном запасе энергии, т.к. энтропию можно рассматривать и как количественную меру той теплоты, которая не переходит в работу.

3) Энтропия-это мера необратимого рассеяния энергии.

4)Энтропия является мерой отсутствия порядка в системе, мерой ее бесструктурности, мерой отсутствия информации, необходимой для управления системой.

Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов. Или, в замкнутой системе возможны только такие необратимые процессы, которые сопровождаются возрастанием энтропии.

Говоря проще, этот принцип утверждает, что любая сложная структура может только упрощаться, т.е. разрушаться.

Третье начало термодинамики. Многочисленные опыты показывают, что с понижением температуры во всякой системе наблюдается тенденция к всё большей упорядоченности. Это объясняется тем, что при низких температурах тела обладают меньшей энергией. Установление порядка при высоких температурах препятствуют тепловые движения молекул.

Уже в начале XX в. (В. Нернст, 1906) было сформулировано третье начало термодинамики, согласно которому при стремлении температуры Т к абсолютному нулю энтропия (S) любой системы стремится к конечному пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы (при абсолютном нуле температуры любые изменения состояния происходят без изменения энтропии). Иначе говоря, ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии, достижение абсолютного нуля невозможно; к нему можно лишь бесконечно приближаться.