Развитие взглядов на физическую картину мира

     Сила  подчиняется принципу близкодействия. Взаимодействие передается от точки к точке в пространстве с конечной скоростью

     Разработав  ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца  классической физики»). Теория Максвелла  является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.

     Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что  теория Максвелла нуждается в  дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

     В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение  электронной теории, опирающейся, с  одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1987 г. был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу.

     Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.

     1. В металле есть свободные электроны  – электроны проводимости, образующие  электронный газ. 2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы. 3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля. 4. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.

     Электронная теория позволила количественно  описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах 20 в.

     В 1902 г. в опытах Кауфмана было обнаружено, что отношение заряда e к его  массе m не является постоянной величиной, а зависит от скорости (с ростом скорости оно уменьшается). Из теории следовало, что q = const. Значит, растет масса. Возник вопрос, как это понять? Ответ был дан позже в специальной теории относительности.[5]

      В качестве постулатов дедуктивной теории Эйнштейн  принял два принципа. Прежде всего - принцип относительности классической физики, резко расширив его, распространив его не только на механическое движение, но и на электромагнитные и световые процессы. Уже в исходной посылке Эйнштейн объединил классическую механику и электромагнитную теорию Максвелла. В качестве второго постулата он взял принцип постоянства скорости света в пустоте. Поскольку скорость света в качестве константы включена в уравнения Максвелла, то Эйнштейн принял эту константу и для классической физики. Тем более что в конце XIX века экспериментально было надежно установлено, что скорость света конечна, хотя и велика. Позже было принято считать, что скорость снега в пустоте составляет примерно 300 000 км/с. Таким образом, постулатами частной теории относительности являются два принципа.

      1. Принцип относительности движения, которому Эйнштейн придал всеобщий характер, распространив его с механических на магнитные, электрические и световые процессы.

      2. Принцип постоянства скорости  света в пустоте, составляющей            300 000 км/с. Эта скорость является максимальной возможной скоростью распространения материальных взаимодействий.

      Из  этих двух физических принципов Эйнштейн заново вывел математические правила  преобразования Лоренца. Но теперь математическая форма соотношений l и t наполнена  физическим смыслом, поскольку их Эйнштейн вывел из физических посылок. Из соотношений l и t можно видеть, что, когда скорость движения тела становится сравнимой со скоростью света, линейный размер тела физически сокращается в направлении его движения. Со временем происходят противоположные изменения: его течение замедляется, ритмика течения времени растягивается.

      Если  скорость движения тела приближается к скорости света, то тело сжимается  в направлении движения до такой  степени, что превращается в плоскую  фигуру (в лепешку). Значит, допускавшиеся  в классической физике скорости, превышающие скорость света в пустоте, не имеют физического смысла. Отсюда следует, что скорость распространения материальных взаимодействий в природе не может превышать скорость света в пустоте.

      Таким образом, дедуктивные следствия  из физических постулатов привели Эйнштейна к построению развернутой содержательной теории, которую затем он назовет частной, или специальной. Специальная теория относительности (СТО) обобщает классическую физику и электродинамику Максвелла и выступает как релятивистская физика, в которой дается новая теория таких понятий, как масса, движение, пространство, время.

      В классической физике пространство оторвано от времени, и они рассматриваются  как абсолютные. Абсолютны они  потому, что оторваны от движущихся материальных тел. Специальная теория относительности устанавливает зависимость пространства и времени от скорости движения материальных тел. Кроме того, она устанавливает неразрывную связь пространства и времени, поскольку они изменяются синхронно, и притом в противоположных направлениях: при больших скоростях движения тел их линейный размер сокращается в направлении движения, а ритмика течения времени растягивается. Поэтому рассмотрение физических событий должно относиться к единому четырехмерному пространственно-временному континууму: х, у, z, t.

      Свою  критику классической механики Эйнштейн начал с пересмотра 
«абсолютного времени», понимаемого как одновременность всех событий в мире. В классической физике одновременности двух событий в точках пространства А и В обосновывалась переносом часов из одной точки в другую. 
           Хотя СТО базируется на рассмотрении инерциальных систем отсчета, она все же позволяет установить важную зависимость для ускоренного движения. В релятивистской физике считается, что чем выше скорость движения тела, тем труднее увеличить ее. Поскольку сопротивление изменению скорости тела называется его массой (инерционной), то отсюда следует, что масса тела возрастает с ростом скорости его движения. В классической механике массу рассматривают как постоянную величину - это релятивистская масса покоя.

      В СТО массу считают переменной величиной, зависящей от скорости движения. Это изменение массы можно обнаружить лишь при больших скоростях, например, при движении электронов вокруг ядра атома, что и было затем установлено экспериментально. После опубликования СТО Эйнштейн из зависимости массы от скорости движения математическим путем получил новое следствие - вывод о равенстве инертной и весовой массы.

      Отсюда  ученый сделал два радикальных вывода:

      а) о равенстве весовой и инертной массы, б) об эквивалентности массы и энергии.

      Случай  с кинетической энергией Эйнштейн обобщил  на все формы энергии: энергия  в любой форме ведет себя как  масса. Энергия является массой, а  масса представляет собой энергию. Энергия и масса преобразуются друг в друга по формуле:

      E = m · c2 где Е - энергия, m - масса  движущегося тела, с - скорость  света в пустоте.

      1.3 Развитие взглядов  ученых на квантово-полевую  картину мира в  работах Планка, Эйнштейна,  Бора, Луи де Бройля, Гейзенберга, Шредингера, Дирака.

      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 в 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.[4]

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

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

   2. гравитационная постоянная (6), она используется как коэффициент пропорциональности в формуле, описывающей закон всемирного тяготения;

   3. постоянная Планка (И), это квант энергии, входит во все уравнения, описывающие процессы на уровне микромира;

      4. постоянная Больцмана (к), она устанавливает связь между микроскопическими динамическими явлениями и макро- скопическими характеристиками состояния объединений частиц.

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

      Возможно, к этому списку добавятся еще  некоторые константы, такие, как фундаментальная длина (L). 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 фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Все они описываются на основе современного принципа близкодействия. В соответствии с ним взаимодействие каждого типа передается соответствующим полем от точки к точке. При этом скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

      В  доньютоновский  период  развитие  представлений  о  пространстве  и времени  носило  преимущественно  стихийный  и  противоречивый  характер.  И только в  «Началах»  древнегреческого  математика  Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму.  В  это время зарождаются геометрические представления об однородном  и  бесконечном пространстве.