Строение вещества, энергия

2. Строение вещества, энергия

В конце прошлого и начале нынешнего века в есте­ствознании были сделаны крупнейшие открытия, кото­рые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми части­цами материи, своеобразными кирпичиками, из кото­рых состоит природа, считались атомы, то в конце про­шлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер ато­мов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).

Согласно первой модели атома, построенной англий­ским ученым Эрнестом Резерфордом (1871—1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была, однако, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов должны были упасть на ядро. Но опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и для их разрушения требу­ются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована вы­дающимся датским физиком Нильсом Бором (1885—1962), который предположил, что при вращении по так назы­ваемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Значительно изменились также взгляды на энергию. Если раньше предполагалось, что энергия излучается непрерывно, то тщательно поставленные эксперименты убедили физиков, что она может испускаться отдельны­ми квантами. Об этом свидетельствует, например, явле­ние фотоэффекта, когда кванты энергии видимого света вызывают электрический ток. Это явление, как извест­но, используется в фотоэкспонометрах, которыми поль­зуются в фотографии для определения выдержки при экспозиции.

В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например, электроны обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путем было доказано экспериментально, что между ве­ществом и полем не существует непроходимой границы: в определенных условиях элементарные частицы веще­ства обнаруживают волновые свойства, а частицы поля — свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы — представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материаль­ных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля— волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волно­вых свойств совершенно исключалось. Но под давлени­ем неопровержимых экспериментальных результатов ученые вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.

В 1925—1927 г. для объяснения процессов, происхо­дящих в мире мельчайших частиц материи — микроми­ре, была создана новая волновая, или квантовая механи­ка. Последнее название и утвердилось за новой наукой. Впоследствии возникли и разнообразные другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория эле­ментарных частиц и другие, которые исследуют законо­мерности движения микромира.

3. Теория относительности

Другая фундаментальная теория современной физики — теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. В специальной тео­рии относительности получил дальнейшее применение уста­новленный еще Галилеем принцип относительности в меха­ническом движении. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах, т.е. системах отсчета, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, все механические процессы происходят одинаковым образом, и поэтому их законы имеют ковариантную, или ту же самую математическую форму. Наблюдатели в таких системах не заметят никакой разницы в протекании механических явле­ний. В дальнейшем принцип относительности был использо­ван и для описания электромагнитных процессов. Точнее го­воря, сама специальная теория относительности появилась в связи с преодолением трудностей, возникших в этой теории.

Важный методологический урок, который был получен из специальной теории относительности, состоит в том, что она впервые ясно показала, что все движения, проис­ходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолют­ной системы отсчета и, следовательно, абсолютного дви­жения, которые допускала ньютоновская механика.

Еще более радикальные изменения в учении о про­странстве и времени произошли в связи с созданием об­щей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения, принципиально отличной от классической ньютоновской теории. Эта теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движу­щихся материальных тел и их пространственно-времен­ной метрикой. Теоретические выводы из нее были экспе­риментально подтверждены во время наблюдения сол­нечного затмения. Согласно предсказаниям теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Нужно отметить, что об­щая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготею­щих масс и структурой физического пространства — вре­мени.