Физика как наука

      Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) — движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики, Они известны как уравнения Максвелла. Это — закон Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца, магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем. Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля. Это позволило единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.

Таким   образом,    были    выдвинуты   новые   как   физические,   так   и

философские взгляды на материю, пространство, время  и силы, во многом изменившие прежнюю  механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

     Кардинально изменились представления о материи: корпускулярные идеи уступили место континуальным (полевым) установкам. Отныне совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое, абсолютно непрерывное, бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.

     Понятие движения расширилось. Оно стало  пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

     Новая картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия. Он утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

     Ньютоновская  концепция абсолютного пространства и абсолютного времени не подходила  к новым полевым представлениям о материи, так как поля не имеют четко очерченных границ и перекрывают друг друга. Кроме того, поля — это абсолютно непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет. Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Было ясно, что пространство и время должны перестать быть самостоятельными, независимыми от материи сущностями. Но инерция мышления и сила привычки были столь велики, что еще долго ученые предпочитали верить в существование абсолютного пространства и абсолютного времени. Лишь к началу XX века эти взгляды уступили место реляционной (относительной) концепции пространства и времени, в соответствии с которой пространство, время и материя существуют только вместе, полностью зависят друг от друга.

      Законы  электродинамики, как и законы классической механики, все еще однозначно предопределяли события, которые они описывали, поэтому случайность пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в элек-

тромагнитную  картину мира вошло понятие вероятности.

      Не  менялось в электромагнитной картине  мира представление о месте и  роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Эти взгляды лишь упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

     Новая электромагнитная картина мира объяснила  большой круг явлений, непонятных с  точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество, магнетизм, свет объяснялись на основе одних и тех же законов.

      Однако  и на этом пути вскоре стали возникать  непреодолимые трудности, что наглядно покачало переходный характер новой картины мира. Так, согласно электромагнитной картине мира заряд стал считаться точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории X. Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира стана рассматриваться в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой.

     Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона— Морли, в которых пытались обнаружить «эфирный ветер». Свет в то время  считали электромагнитными волнами, которые распространялись в особой среде — эфире. Наблюдатель на Земле перемещается относительно эфира вследствие движения Земли, а потому воспринимаемая скорость света должна зависеть от скорости движения планеты. Это и было явление «эфирного ветра», поиск которого продолжался в целом ряде опытов вышеназванных ученых. Несмотря на все повышавшуюся точность измерений (первый опыт был проведен в 1881 г., а последний — в 1963 г.) данного явления обнаружить не удалось. Это заставило усомниться в существовании эфира.

     Последовательное  применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили X. Лоренц и А. Пуанкаре, чьи работы завершают до-эйнштейновский период развития физики. Речь идет об электронной теории Лоренца, а также о его знаменитых уравнениях, переведенных на язык четырехмерного пространства-времени Пуанкаре, которыми позже воспользовался А. Эйнштейн в своей теории относительности.

      Принимая  законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени. Тем самым было устранено противоречие между пониманием континуальными (полевыми) представлениями о материи ньютоновской концепцией абсолютного пространства и времени.

     Таким образом, к концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теорий и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной   картины   мира,   другие   вообще   не   согласовывашсь   с

10

континуальными  представлениями о материи.

      Тем не менее, об этих мелких неприятностях  физики предпочитали не думать. Они считали, что как никогда близки к решению основной задачи науки — получению абсолютной истины, раскрытию всех тайн окружающего мира. Это позволило такому известному физику, как Г. Кирхгоф, в 80-х годах XIX в. заявить, что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.

     Но  даже создание теории относительности  не могло спасти электромагнитной картины мира. С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной картиной и фактами, что и послужило основанием для второй глобальной научной революции, которая разрушила не только существующую картину мира, но и все здание классической науки. В ходе этой революции начала складываться современная наука и новая квантово-релятивистская картина мира.

Становление современной физической картины мира

      В конце XIX в. произошло множество открытий в самых разных областях физики, носящих революционный характер. Среди них — открытие А. Беккерелем в 1897 г. явления радиоактивности, в соответствии с которым было установлено, что радиоактивность вызвана превращением одних химических элементов в другие и сопровождается при этом испусканием альфа-и бета-лучей. Тогда же выяснилось, что атом имеет сложную структуру, и ученые начали работать над созданием модели атома. Таким образом, трансмутация элементов, о которой тысячелетиями мечтали алхимики, осуществилась. Важнейшим открытием стала идея кванта, предположение о прерывности процессов излучения, выдвинутые в 1900 г. М. Планком.

      В связи с этим, в начале XX века в физике существовали два, как* казалось ученым, несовместимых представления о материи — корпускулярное и континуальное (полевое). Физики предпринимали многочисленные попытки совместить две эти точки зрения, но долгое время они оставались безрезультатными. Рушились все старые представления о мире, многим казалось, что физика зашла в тупик.

      Кризис  в физике пошел на спад лишь с 1913 г., когда Н. Бор предложил свою модель атома, в которой электрон, вращавшийся вокруг ядра, излучал энергию только порциями при переходе с одной орбиты на другую. Это противоречило известным законам электродинамики, но позволило сделать прорыв в науке. Началось формирование новых физических представлений о материи и движении, которые были завершены и 20-е годы созданием новых фундаментальных физических теорий — квантовой механики и квантовой электродинамики. Над их созданием помимо уже названных ученых работали Э. Резерфорд, Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн.

      Важнейшими  понятиями новых теорий стали: корпуекулярно-волновои дуализм — наличие у каждой частицы материи свойств волны и частицы одновременно; соотношение неопределенностей Гейзенберга — невозможность одновременного измерения координат и импульса частицы. Эти теории ха-

11

растеризуются такими физическими величинами, как  координаты, импульсы, энергия, момент импульса (такие же, как в классической механике). Но для характеристики состояния была предложена комплексная волновая функция. Зная ее, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения не только координаты, но и любой другой физической величины. Эволюция состояния системы определялась с помощью уравнения Шредингера. Для объяснения парадоксов квантовой механики были предложены принципы соответствия, дополнительности и суперпозиции, о которых мы будем говорить ниже. Математическая интерпретация квантовой механики, ее формулировка в виде уравнений движения была сделана П. Дираком и Д. фон Нейманом.

      В рамках современной физики впервые  были выявлены так называемые фундаментальные константы нашего мира, или мировые универсальные константы — постоянные, которые не сводимы друг к другу и имеют значение для всей наблюдаемой части Вселенной. Над перечнем этих констант работали многие крупнейшие физики, поэтому количество констант варьируется. По мнению М. Планка, существует четыре фундаментальных константы.

      . скорость света в вакууме (с  = 300 000 км/с), это максимальная скорость для всех возможных взаимодействий в природе;

      • гравитационная  постоянная,  она  используется  как  коэффициент 
пропорциональности в формуле, описывающей закон всемирного тяготения;

      • постоянная Планка это квант энергии, входит во все уравнения,, 
описывающие процессы на уровне микромира;

      • постоянная    Больцмана,     она    устанавливает    связь    между 
микроскопическими     динамическими     явлениями     и     макроскопическими 
характеристиками состояния объединений частиц.

     А. Эйнштейн расширил этот список универсальных констант, добавив в него, заряд электрона и массу электрона (минимально возможное значение электрического заряда, существующего в природе в свободном состоянии, и его масса). Еще одна константа — это масса протона

      Возможно, к этому списку добавятся еще некоторые константы, такие, как фундаментачьная длина Но существует точка зрения, что в принципе возможно сведение всех фундаментальных постоянных к одной константе. То, что это пока не сделано, говорит лишь о недостатке наших знаний о мире.

     С появлением квантово-релятивистской картины  мира ушли в прошлое представления о неизменности материи, о возможности достичь конечного предела ее делимости. Сегодня мы рассматриваем материю с точки зрения корпускулярно-волнового дуализма. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость и взаимозависимость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.

      Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий. Известно четыре вида фундаментачъных физических взаимодействии: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Все они описываются на