Физика на рубеже XIX-XX веков, ее открытия и достижения

9. Физика на рубеже XIX-XX веков, ее открытия и достижения

Классическая механика господствовала в науке два столетия, идя от одного достижения к другому. Казалось, что ничто не предвещало заминок и неудач. Была создана кинетическая теория газов на основе статистического описания поведения большого числа движущихся частиц атомов или молекул. Были открыты законы термодинамики, создана теория электричества и магнетизма, получены знаменитые уравнения электродинамики Максвелла, объединившие эти теории. Однако оказалось, что, прекрасно описывая явления электромагнетизма, эти уравнения не подчиняются принципам относительности Галилея. Покоящийся и движущийся наблюдатель будут получать разные результаты при рассмотрении процессов взаимодействия движущихся и неподвижных зарядов. Принцип относительности Галилея стал несовместимым с уравнениями Максвелла. К концу XIX века это противоречие затронуло основания физики. Его необходимо было разрешить. В конце концов естествознание вынуждено было отказаться от признания особой, универсальной роли механики. На смену ей постепенно приходило новое понимание физической реальности.

В 1895 году началась научная революция, ознаменовавшая переход к новому способу познания, отражающему глубинные связи и отношения в природе. Она включала в себя как неожиданные открытия (открытия рентгеновских лучей, радиоактивности, и т.д.), так и великие теоретические достижения: квантовая теория М. Планка (1900 г.), специальная и общая теория относительности А. Эйнштейна (1905 – 1906 гг.), атомная теория Резерфорда – Бора в 1913 г. Английский физик и общественный деятель Дж. Бернал назвал этот период в развитии физики героическим. В это время исследуются новые миры главным образом с помощью технических и теоретических средств старой науки XIX века. Это был период в основном индивидуальных достижений: супругов Кюри, Резерфорда, Планка, Бора, Эйнштейна.

Эволюция в науке на рубеже XIX – XX веков принесла немало сенсационных открытий, разрушивших прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т.д. В 1895 году В. Рентген открыл невидимые глазом электромагнитные излучения, проникающие через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Эти лучи были названы рентгеновскими. В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл явление естественной радиоактивности. Радиоактивное излучение свидетельствовало о наличии внутри атома колоссальных источников энергии и о превращаемости элементов. В 1897 году английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон. Открытия радиоактивности и электрона выдвинули проблему внутреннего строения атома. Уяснив, что электрон является составной частью атомов, Дж. Томсон предложил в 1903 году первую (электромагнитную) модель атома. Согласно этой модели, отрицательно заряженные электроны располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы. При устойчивом состоянии атома электроны располагаются концентрическими слоями. Несмотря на наивность этой модели, представление о слоистом расположении электронов оказалось перспективным.

В 1904 году японский физик Нагаоке пришел к выводу, что атом по своему строению напоминает Солнечную систему, где вокруг положительного ядра вращается кольцо, состоящее из большого числа электронов. Эта модель сначала не привлекла внимания физиков, так как противоречила очевидным фактам. Однако в 1909 – 1910 гг. английский физик Э. Резерфорд обнаружил, что в атомах существуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых чрезвычайно мал по сравнению с размерами атомов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Резерфорд разработал новый вариант планетарной модели. В центре атома расположено ядро с размером порядка 10^-13 см. Вокруг него вращаются электроны, число которых таково, что общий заряд атома равен нулю. Однако эта модель атома оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла, согласно которой вращающиеся электроны должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро, что ведет к неустойчивости атома. Однако это в природе не наблюдается. Электроны, двигающиеся по круговым орбитам вокруг ядра, не только не падали на ядро, но и излучали не непрерывную энергию, а лишь определенными порциями – квантами. Это явление объяснил немецкий физик М. Планк в своей теории, получившей название квантовой.

В 1913 году датский физик Н. Бор, опираясь на теорию М. Планка, разработал квантовую модель атома. В ее основу он положил следующие постулаты: в любом атоме существуют дискетные (стационарные) состояния, находясь в которых атом энергию не излучает; при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или поглощает порцию энергии.

Ядром революции в естествознании на рубеже XIX – XX веков явилось создание новой механики. Размышляя над тем, как примирить электромагнитную теорию Максвелла с классической механикой, А. Эйнштейн в 1905 году пришел к выводу, что принцип относительности справедлив не только в механике, но и в оптике и электродинамике, а видоизменять надо законы и принципы классической механики. Подвергнув глубокому критическому анализу концепцию абсолютного пространства и времени, он создал специальную теорию относительности (ее часто называют релятивистской). В ней рассматриваются явления, для которых силы тяготения слабы или вообще не существуют. Специальная теория относительности представляет собой современную теорию пространства и времени при движении со скоростями, близкими к скорости света. В 1916 году была создана общая теория относительности. Это уже теория не только пространства и времени, но и тяготения. Она открыла реальность нашего искривленного четырехмерного мира пространства–времени. Гравитационное поле может интерпретироваться как следствие искривленного пространства.

Поскольку мы живем в четырехмерном мире, то поведение материальных точек описывается четырьмя координатами и наглядно представить четырехмерное искривленное пространство просто невозможно.

Кривизна реального четырехмерного физического мира меняется от одной области к другой. Она велика вблизи больших масс и выпрямляется вдали от них. Одно из следующих следствий теории относительности – замедление хода времени тяготением, то есть все часы в поле силы тяжести должны замедлять ход и тем больше, чем больше сила тяжести, то есть больше кривизна пространства в данной точке. Это было проверено с необходимой точностью только в 1960 году в 70 футовой башне Гарвардского университета.

Таким образом, научная революция на рубеже XIX – XX веков характеризовалась не только возникновением новых идей, открытием новых неожиданных фактов и явлении, но и преобразованием духа естествознания в целом, возникновением нового способа мышления, глубоким изменением методологических принципов естествознания.