| 21970318 23552 19854 932 1ло окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы.
Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге, Ньютон открыл закон всемирного тяготения (см. Ньютона закон тяготения). С помощью этого закона удалось с замечат. точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно к-рой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально. Им были впервые чётко сформулированы классич. представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели никаких изменений.
В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физ. маятника, построил часы с маятником.
Началось развитие физ. акустики. М. Мерсенн измерил число собств. колебаний звучащей струны и впервые определил скорость звука в воздухе. Ньютон теоретически вывел формулу для скорости звука.
Во 2-й пол. 17 в. начала быстро развиваться геометрич. оптика применительно к конструированию телескопов и др. оптич. приборов, а также были заложены основы физич. оптики. Ф. Гримальди открыл дифракцию света, а Ньютон провёл фундаментальные исследования дисперсии света. С этих работ Ньютона берёт начало оптич. спектроскопия. В 1676 О. К. Рёмер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться две различные теории о физ. природе света - корпускулярная и волновая (см. Оптика). Согласно корпускулярной теории Ньютона, свет - это поток частиц, движущихся от источника по всем направлениям. Гюйгенс заложил основы волновой теории света, согласно к-рой свет - это поток волн, распространяющихся в особой гипотетич. среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел.
Т. о., в 17 в. была построена в основном классич. механика и начаты исследования в др. областях Ф.: в оптике, учении об электрич. и магнитных явлениях, теплоте, акустике.
В 18 в. продолжалось развитие классич. механики, в частности небесной механики. По небольшой аномалии в движении планеты Уран удалось предсказать существование новой планеты - Нептун (открыта в 1846). Уверенность в справедливости механики Ньютона стала всеобщей. На основе механики была создана единая механич. картина мира, согласно к-рой всё богатство, всё качеств. многообразие мира - результат различия в движении частиц (атомов), слагающих тела, движении, подчиняющемся законам Ньютона. Эта картина многие годы оказывала сильнейшее влияние на развитие Ф. Объяснение физ. явления считалось научным и полным, если его можно было свести к действию законов механики.
Важным стимулом для развития механики послужили запросы развивающегося произ-ва. В работах Л. Эйлера и др. была разработана динамика абсолютно твёрдого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твёрдых тел шло развитие механики жидкостей и газов. Трудами Д. Бернулли, Эйлера, Ж. Лагранжа и др. в 1-й пол. 18в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости - несжимаемой жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В "Аналитической механике" (1788) Лаг-ранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности электромагнитным, процессам.
В других областях Ф. происходило накопление опытных данных и формулировались простейшие экспериментальные законы. Ш. Ф. Дюфе открыл существование двух видов электричества и определил, что одноимённо заряженные тела отталкиваются, а разноимённо заряженные - притягиваются. Б. Франклин установил закон сохранения электрич. заряда. Г. Кавендиш и независимо Ш. Кулон открыли осн. закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных электрич. зарядов (Кулона закон). Возникло учение об атм. электричестве. Франклин, М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман доказали электрич. природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объективов телескопов. Трудами П. Бугера и И. Ламберта начала создаваться фотометрия. Были открыты инфракрасные (В. Гершелъ, англ. учёный У. Волластон) и ультрафиолетовые (нем. учёный Н. Риттер, Волластон) лучи.
Заметный прогресс произошёл в исследовании тепловых явлений; после открытия Дж. Блэком скрытой теплоты плавления и экспериментального доказательства сохранения теплоты в калориметрич. опытах стали различать темп-ру и количество теплоты. Было сформулировано понятие теплоёмкости, начато исследование теплопроводности и теплового излучения. При этом одновременно утвердились неправильные взгляды на природу тепла: теплоту стали рассматривать как особого рода неуничтожимую невесомую жидкость - теплород, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Теория теплоты, согласно к-рой теплота - это вид внутр. движения частиц, потерпела временное поражение, несмотря на то что её поддерживали и развивали такие выдающиеся учёные, как Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов и др.
Классическая физика (19 в.). В нач. 19 в. длительная конкуренция между корпускулярной и волновой теориями света завершилась окончательной, казалось бы, победой волновой теории. Этому способствовало успешное объяснение Т. Юнгом и О. Ж. Френелем явления интерференции и дифракции света с помощью волновой теории. Эти явления присущи исключительно волновому движению, и объяснить их с помощью корпускулярной теории представлялось невозможным. В это же время было получено решающее доказательство поперечности световых волн (Френель, Д. Ф. Араго, Юнг), открытой ещё в 18 в. (см. Поляризация света). Рассматривая свет как поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель нашёл количеств. закон, определяющий интенсивность преломлённых и отражённых световых волн при переходе света из одной среды в другую (см. Френеля формулы), а также создал теорию двойного лучепреломления.
Большое значение для развития Ф. имело открытие Л. Галъвани и А. Вольта электрич. тока. Создание мощных источников постоянного тока - гальванич. батарей - дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Было исследовано химическое действие тока (Г. Дэви, М. Фарадей).В.В. Петров получил электрическую дугу. Открытие X. К. Эрстедом (1820) действия электрич. тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрич. и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами - электрич. током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрич. токов (Ампера закон).
В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная). При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значит. затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно к-рой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента - электромагнитного поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи - электромагнитного поля.
В нач. 19 в. Дж. Дальтон ввёл в науку (1803) представление об атомах как мельчайших (неделимых) частицах вещества- носителях хим. индивидуальности элементов.
К 1-й четверти 19 в. был заложен фундамент Ф. твёрдого тела. На протяжении 17-18 и начала 19 вв. происходило накопление данных о макроскопич. свойствах твёрдых тел (металлов, технич. материалов, минералов и т. п.) и установление эмпирич. законов поведения твёрдого тела под влиянием внешних воздействий (механич. сил, нагревания, электрич. и магнитных полей, света и т. д.). Исследование упругих свойств привело к открытию Тука закона (1660), исследование электропроводности металлов - к установлению Ома закона (1826), тепловых свойств - закона теплоёмкостей Дюлонга и Пти (1819) (см. Дюлонга и Пти закон). Были открыты осн. магнитные свойства твёрдых тел. В это же время была построена общая теория упругих свойств твёрдых тел (Л. М. А. Навье, 1819-26, О. Л. Коши, 1830). Почти для всех этих результатов характерна трактовка твёрдого тела как сплошной среды, хотя уже значит. частью учёных было признано, что твёрдые тела, являющиеся в большинстве своём кристаллами, обладают внутр. микроскопич. структурой.
Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В сер. 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетическую невесомую субстанцию - теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Ю. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельм-гольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал осн. законом теории тепловых явлений (термодинамики), получив название первого начала термодинамики.
Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты- второго начала термодинамики. Этот закон сформулирован в работах Р. Клау-зиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетич. процессов. Значит. роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака, на основе к-рых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.
Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетич. теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механич. картины мира и привело к открытию нового типа законов-статистических, в к-рых все связи между физ. величинами носят вероятностный характер.
На первом этапе развития кинетич. теории наиболее простой среды - газа- Джоуль, Клаузиус и др. вычислили ср. значения различных физ. величин: скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега и т. д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетич. энергии поступат. движения молекул. Это позволило вскрыть физ. смысл темп-ры как меры средней кинетич. энергии молекул.
Второй этап развития молекулярно-кинетич. теории начался с работ Дж. К. Максвелла. В 1859, введя впервые в Ф. понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям (см. Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетич. теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистич. механики. Л. Болъцман построил кинетическую теорию газов и дал статистич. обоснование законов термодинамики. Осн. проблема, к-рую в значит. степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отд. молекул с очевидной необратимостью макроскопич. процессов. Термодинамич. равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетич. энергии по степеням свободы.
Классич. статистич. механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термо-динамич. равновесия. Всеобщее признание статистич. механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905-06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения, подтверждённой в опытах Ж. Б. Перрена.
Во 2-й пол. 19 в. длит. процесс изучения электромагнитных явлений был завершён Максвеллом. В своей осн. работе "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), к-рые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого элект-рич. поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект - порождение магнитного поля переменным электрич. полем (см. Ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Р. Герцем (1886-89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.
В 19 в. Г. Кирхгоф и П. Бунзен заложили основы спектрального анализа (1859). Продолжалось также развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, Дж. У. Рэлей и др.). Возникла техника получения низких темп-р. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия, а в нач. 20 в. X. Камерлинг-Оннес (1908) ожижил гелий.
К кон. 19 в. Ф. представлялась современникам почти завершённой. Казалось, что все физ. явления можно свести к механике молекул (или атомов) и эфира. Эфир рассматривался как механич. среда, в к-рой разыгрываются электромагнитные явления. Один из крупнейших физиков 19 в.- У. Томсон обращал внимание лишь на два необъяснимых факта: отрицат. результат Майкельсона опыта по обнаружению движения Земли относительно эфира и непонятную с точки зрения молекулярно-кинетич. теории зависимость теплоёмкости газов от темп-ры. Однако именно эти факты явились первым указанием на необходимость пересмотра осн. представлений Ф. 19 в. Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось создание теории относительности и квантовой механики, Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц (кон. 19-20 вв.). Наступление новой эпохи в Ф. было подготовлено открытием электрона Дж. Томсоном в 1897. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав к-рых входят электроны. Важную роль в этом открытии сыграло исследование электрич. разрядов в газах.
В кон. 19 - нач. 20 вв. X. Лоренц заложил основы электронной теории.
В нач. 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классич. механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности - новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А. Пуанкаре.
Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно к-рому механич. явления протекают одинаково во всех инерциалъных системах отсчёта, справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.
Открытие частной теории относительности показало ограниченность механич. картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механич. процессам в гипотетич. среде - эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение к-рой не подчиняется законам механики.
В 1916 Эйнштейн построил общую, теорию относительности - физ. теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.
На рубеже 19-20 вв., ещё до создания спец. теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.
В кон. 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классич. статистич. физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следова- , ло, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой темп-ре, терять энергию и охлаждаться до абс. нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком, показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классич. электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отд. порциями - квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэфф. пропорциональности является квант действия h = 6,6*10-27эрг*сек, получивший впоследствии название постоянной Планка.
В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. е. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классич. электродинамики.
Т. о., на новом качеств. уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, к-рые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классич. Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). "Квантование" излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н. Бором в 1913.
К этому времени Э. Резерфорд (1911) на основе экспериментов по рассеянию альфа-частиц веществом открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. В атоме Резерфорда электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: электроны, двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, в конце концов (как показывали расчёты, за время порядка 10-8сек) упасть на него. Т. о., устойчивость атомов и их линейчатые спектры оказались необъяснимыми в рамках законов классич. Ф. Бор нашёл выход из этой трудности. Он постулировал, что в атомах имеются особые стационарные состояния, в к-рых электроны не излучают. Излучение происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое. Дискретность энергии атома была подтверждена опытами Дж. Франка и Г. Герца (1913-14) по изучению столкновений с атомами электронов, ускоренных элек-трич. полем. Для простейшего атома - атома водорода - Бор построил количеств. теорию спектра излучения, согласующуюся с опытом.
В тот же период (кон. 19 - нач. 20 вв.) начала формироваться Ф. твёрдого тела в её совр. понимании как Ф. конденсированных систем из огромного числа частиц (~ 1022см-3). До 1925 её развитие происходило по двум направлениям: Ф. кри-сталлич. решётки и Ф. электронов в кристаллах, прежде всего в металлах. В дальнейшем эти направления сомкнулись на базе квантовой теории.
Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длит. путь развития и окончательно сформировалось в нач. 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.
В кон. 19 в. Е. С. Фёдоров работами по структуре и симметрии кристаллов заложил основы теоретич. кристаллографии; в 1890-91 он доказал возможность существования 230 пространств. групп симметрии кристаллов - видов упорядоченного расположения частиц в кри-сталлич. решётке (т. н. фёдоровских групп). В 1912 М. Лауэ с сотр. открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив представление о кристалле как упорядоченной атомной структуре. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу [У. Л. Брэгг и У. Г. Брэгг (1913), Г. В. Вулъф (1913)]. В эти же годы (1907- 1914) была разработана динамич. теория кристаллич. решёток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квантовых гармонич. осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости твёрдых тел при понижении темп-ры - факт, находящийся в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамич. теория кристаллич. решётки как совокупности связанных квантовых осцилляторов различных частот была построена П. Дебаем (1912), М. Борном и Т. Карманом (1913), Э. Шрё-дингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый важный её этап начался после создания квантовой механики.
Второе направление (Ф. системы электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий кристаллич. решётку газ свободных электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся классич. статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение законов Ома и Видемана-Франца (П. Друде), заложила основы теории дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки классич. электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость уд. сопротивления металлов от темп-ры, оставалось неясным, почему электронный газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т. д. Выход из создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.
Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классич. Ф.
Достоверно установленная дискретность действия и её количеств. мера - постоянная Планка h - универсальная мировая постоянная, играющая роль ес-теств. масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классич. законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достато |
