Перенесемся мысленно на сто с хвостиком лет назад и попробуем представить себе, каково было в то время положение в науке. В физике шла тогда величайшая революция, вызванная удивительными открытиями конца позапрошлого века и начала прошлого. Одно за другим следовали блестящие открытия, в свете которых материя представлялась иной, чем рисовалось ученым еще так недавно. Тогда были открыты лучи Рентгена (1895), радиоактивность (Веккерель, 1896), электрон (Томсон, 1897), радий (супруги Кюри, 1899), создана теория радиоактивного распада атомов (Резерфорд и Содли, 1902). Электрон предстал не только как мельчайшая частица отрицательного электричества, но и как общая составная часть всех атомов, как кирпичик всех атомных построек. С этого момента идея неизменного, неделимого атома, идея вечных, не превращающихся друг в друга химических элементов, которая много веков господствовала в умах ученых, внезапно рухнула, причем окончательно и бесповоротно.
Одновременно начались открытия в области световых явлений. В 1900 году были сделаны два замечательных открытия в оптике. Планк открыл дискретный (атомистический) характер излучения и ввел понятие действия; Лебедев измерил (а значит, экспериментально открыл) давление света. Отсюда логически следовало, что свет должен обладать массой.
Спустя еще несколько лет (в 1905 году) Эйнштейн создал теорию относительности (ее специальный принцип) и вывел из нее фундаментальный закон современной физики — закон взаимосвязи массы и энергии. Одновременно он выдвинул понятие фотона (или «атома света»).
Рубеж XIX и XX веков был периодом глубочайшей ломки старых физических понятий. Рушилась вся старая, по сути дела, механистическая, картина мира. Ломались не только понятия атома и элемента, но и понятия массы и энергии, вещества и света, пространства и времени, движения и действия. На место понятия неизменной массы, не зависящей от скорости движения тела, пришло понятие массы, меняющейся по своей величине в зависимости от того, с какой скоростью движется тело. На место понятия непрерывного движения и действия пришло представление об их дискретном, квантовом характере. Если энергетические явления математически описывались раньше непрерывными функциями, то теперь пришлось вводить для их описания прерывисто меняющиеся величины.
Пространство и время выступили не как внешние по отношению к материи, к движению и друг к другу формы бытия, а как зависимые и от них и друг от друга. Вещество и свет, разделенные ранее абсолютной перегородкой, обнаружили общность своих свойств (наличие массы, хотя качественно и различной) и своего строения (дискретный, зернистый характер).
Но не только крушением устаревших представлений характеризовалось то время: на руинах старых принципов, подвергшихся всеобщему разгрому (по выражению Л. Пуанкаре) стали уже то тут, то там возводиться первые теоретические постройки, но они еще не были охвачены общим планом, не были сведены в общий архитектурный ансамбль научных представлений.
«От атома отошли», значит, перестали по-старому считать атом пределом познания, последней частицей материи, дальше которой двигаться нельзя, некуда. «До электрона не дошли», значит, еще не создали нового представления о строении атома из электронов (включая и представление о положительном заряде в атоме).
Создание новой электронной теории строения материи стало центральной задачей физиков. Для решения этой задачи необходимо было ответить, прежде всего, на следующие четыре вопроса.
Первый вопрос. Как распределен или где сосредоточен внутри атома положительный электрический заряд? Одни физики полагали, что он равномерно распределен по всему атому, другие считали, что он находится в центре атома, словно «нейтральное светило» миниатюрной , которую, по их предположению, представляет собой атом.
Второй вопрос. Как ведут себя электроны внутри атома? Одни ученые думали, что электроны наглухо закреплены в атоме, как бы вкраплены в него, и образуют статическую систему, другие же, напротив, допускали, что электроны с огромной скоростью движутся внутри атома по определенным орбитам.
Третий вопрос. Сколько электронов может быть в атоме того или иного химического элемента? На этот вопрос не давалось даже предположительного ответа.
Четвертый вопрос. Как распределяются электроны внутри атома: слоями или и виде хаотического роя? На этот вопрос нельзя было дать никакого ответа, по крайней мере, до тех пор, пока оставалось неустановленным общее число электронов в атоме.
Ответ на первый вопрос был получен в 1911 году. Бомбардируя атомы положительно заряженными альфа-частицами, Резерфорд установил, что альфа-частицы свободно пронизывали атом во всех направлениях и на всех его участках, кроме центра. Близ центра частицы явно отклонялись от прямолинейного пути, как если бы они испытывали отталкивающее воздействие, исходящее из центра атома. Когда же частицы оказывались направленными прямо в центр атома, они отскакивали назад, как если бы в центре находилось чрезвычайно прочное, твердое зернышко. Это свидетельствовало о том, что положительный заряд атома действительно сосредоточен в ядре атома, равно как и почти вся масса атома. Резерфорд вычислил на основании полученных им опытных данных, что по своим размерам ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома. (Диаметр атома около 10 см, диаметр ядра около 10-13 см.)
Но если это так, то электроны не могут находиться в неподвижном состоянии внутри атома: их там ничто не может закрепить на одном месте. Напротив, они должны двигаться вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца.
Так намечался ответ на второй вопрос. Однако окончательный ответ на него удалось добыть не сразу. Дело в том, что, согласно представлениям классической электродинамики, электрически заряженное тело, двигающееся в электромагнитном поле, должно непрерывно терять свою энергию. В результате этого электрон должен был постепенно приближаться к ядру и наконец, пасть на него. На деле же ничего подобного не происходит, атом ведет себя как вполне устойчивая система.
Не зная, как решить возникшую перед ними трудность, физики не могли дать определенного ответа на второй вопрос. Но пока продолжались поиски ответа па второй вопрос, неожиданно пришел ответ на третий.
…В конце XIX века многим ученым казалось, что ответ на вопрос о том, каково же строение материи, даст периодический закон химических элементов. Так думал и сам Д. И. Менделеев. Физические открытия, сделанные на рубеже XIX и XX веков, казалось бы, никак не были связаны с этим законом и стояли от него особняком.
В итоге сложились как бы две самостоятельные, изолированные друг от друга линии научного развития: одна - старая, начавшаяся еще в 1869 году (когда был открыт периодический закон) и продолжавшаяся в XX веке (это была, так сказать, химическая линия), другая - новая, возникшая в 1895 году, когда началась «новейшая революция в естествознании» (физическая линия).
Не связанность обеих линий научного развития усугублялась еще и тем, что многие химики представляли себе периодическую систему Менделеева как трактующую о неизменности химических элементов. Новая же физика, наоборот, исходила целиком из представлений о превращающихся и разрушающихся элементах.
Грандиозный бросок естествознания вперед стал возможным, прежде всего, благодаря тому, что две линии научного развития - «химическая» (идущая от периодического закона) и «физическая» (идущая от рентгеновых лучей, радиоактивности, электрона и кванта) - слились, взаимно обогатив друг друга.
В 1912 году в лаборатории Резерфорда появился молодой физик Мозли. Он выдвинул свою собственную тему, которую Резерфорд горячо одобрял. Мозли хотел выяснить зависимость между местом элементов (речь шла о ) в периодической системе Менделеева и характеристическим рентгеновским спектром того же элемента. Здесь была гениальна сама идея, сам замысел задуманной работы связать периодический закон с экспериментальными данными рентгеновского анализа. Как это нередко бывает в науке, правильная постановка проблемы дала сразу же ключ к ее решению.
В 1913 году Мозли нашей решение проблемы. Из математически обработанных Данных рентгеновского спектра того или иного химического элемента при помощи несложных операций он выводил некоторое целое число, специфичное для каждого элемента. Перенумеровав все элементы по порядку их расположения в периодической системе, Мозли увидел, что найденное из экспериментальных данных число N равняется порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Это был решающий шаг к тому, чтобы ответить на третий вопрос.
В самом деле. Каков физический смысл числа N? Почти одновременно несколько физиков ответили так: «Число N указывает величину положительного заряда атомного ядра (Z), а значит, и число электронов в оболочке нейтрального атома данного элемента». Такой ответ дали Нильс Вор, Мозли и голландский физик ван ден Брук.
Таким образом, начался прямой штурм одной из важнейших крепостей природы, еще не завоеванной к тому времени человеческим разумом, - электронного строения атома. Успех этого штурма обеспечивался начавшимся союзом идей химиков и физиков, своеобразным взаимодействием различных «родов войск».
В то время как Мозли открывал закон, носящий теперь его имя, сильная поддержка отряду науки, штурмующему вышеназванную крепость, пришла со стороны ученых, изучавших радиоактивные явления. В этой области были сделаны три важных открытия.
Во-первых, были установлены различные типы радиоактивного распада: альфа-распад, при котором из ядра вылетают альфа- частицы - ядра гелия: бета-распад (из ядра вылетают электроны) и гамма-распад (ядро испускает жесткое электромагнитное излучение). Во-вторых, оказалось, что существуют три различных радиоактивных ряда: , тория и актиния. В-третьих, было обнаружено, что при разных атомных весах некоторые члены одного ряда оказываются химически неотличимыми и неотделимыми от членов другого ряда.
Все эти явления требовали объяснения, и оно было дано в том же знаменательном 1913 году. Но об этом уже читайте в нашей следующей статье.
P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что для лучшего понимания многих физических открытий было бы здорово почитать труды ученых-первооткрывателей в оригинале – на английском языке. Для этого, пожалуй, не стоит пренебрегать такими вещами как английский для детей в Истре , ведь язык нужно учить смолоду, тем более если собираетесь в будущем читать на нем серьезные научные труды.
Самые выдающиеся открытия человечества в области физики
1. Закон падения тел (1604)
Галилео Галилей опроверг почти 2000 летнее аристотелевское убеждение, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие, доказав, что все тела падают с одинаковой скоростью.
2. Закон всемирного тяготения (1666)
Исаак Ньютон приходит к выводу, что все объекты во Вселенной, от яблок до планет оказывают гравитационное притяжение (воздействие) друг на друга.
3. Законы движения (1687)
Исаак Ньютон меняет наше представление о Вселенной, сформулировав три закона для описания движения объектов.
1. Движущийся объект остается в движении, если внешняя сила воздействует на него.
2. Соотношение между массой объекта (m), ускорение (а) и приложенной силой (F) F = mа.
3. Для каждого действия есть равная и противоположная реакция (противодействие).
4. Второй закон термодинамики (1824 - 1850)
Ученые, работающие над повышением эффективности паровых машин, развили теорию понимания преобразование тепла в работу. Они доказали, что поток тепла от более высоких к более низким температурам, заставляет паровоз (или иной механизм) двигаться, уподобляя процессу потока воды, который вращает мельничное колесо.
Их работа приводит к трем принципам: тепловые потоки необратимы от горячего к холодному телу, тепло не может быть полностью преобразовано в другие формы энергии, а также системы становятся все более неорганизованными с течением времени.
5. Электромагнетизм (1807 - 1873)
Ханс Кристиан Эстед
Новаторские эксперименты выявили связь между электричеством и магнетизмом и систематизированы в системе уравнений, которые выражают их основные законы.
В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед говорит студентам о возможности того, что электричество и магнетизм связаны между собой. Во время лекции, эксперимент показывает правдивость его теории перед всем классом.
6. Специальная теория относительности (1905)
Альберт Эйнштейн отвергает основные предположения о времени и пространстве, описывая, что часы идут медленнее и расстояние искажается, если скорость приближаются к скорости света.
7. E = MC 2 (1905)
Или энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Знаменитая формула Альберта Эйнштейна доказывает, что масса и энергия являются различными проявлениями одного и того же, и, что очень небольшое количество массы может быть преобразовано в очень большое количество энергии. Самый глубокий смысл этого открытия является то, что ни один объект с любой массой, отличной от 0 никогда не может двигаться быстрее скорости света.
8. Закон Квантового Скачка (1900 - 1935)
|
|
|
Закон, для описания поведения субатомных частиц, описали Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер. Квантовый скачок определяется как изменение электрона в атоме из одного энергетического состояния в другое. Это изменение происходит сразу, а не постепенно.
9. Природа света (1704 - 1905)
Результаты экспериментов Исаака Ньютона, Томаса Янга и Альберта Эйнштейна приводит к пониманию того, что такое свет, как он себя ведет, и как он передается. Ньютон использует призму для разделения белого света на составляющие цвета, а другая призма смешивала цветной свет в белый, доказывая, что цветной свет, смешиваясь, образует белый свет. Было установлено, что свет представляет собой волну, и что длина волны определяет цвет. Наконец, Эйнштейн признает, что свет всегда движется с постоянной скоростью, независимо от скорости измерителя.
10. Открытие нейтрона (1935)
Джеймс Чедвик обнаружил нейтроны, которые вместе с протонами и электронами составляют атом вещества. Это открытие существенно изменило модель атома и ускорило ряд других открытий в атомной физике.
11. Открытие сверхпроводников (1911 - 1986)
Неожиданное открытие, что некоторые материалы не имеют никакого сопротивления электрическому току при низких температурах, обещали революцию в промышленности и технике. Сверхпроводимость возникает в самых разнообразных материалах при низких температурах, включая простые элементы, такие как олово и алюминий, различные металлические сплавы и некоторые керамические соединения.
12. Открытие кварков (1962)
Мюррей Гелл-Манн предположил существование элементарных частиц, которые в совокупности образуют составные объекты, такие как протоны и нейтроны. Кварк имеет свой заряд. Протоны и нейтроны содержат три кварка.
13. Открытие ядерных сил (1666 - 1957)
Открытия основной силы, действующие на субатомном уровне, привело к пониманию, что все взаимодействия во Вселенной являются результатом четырех фундаментальных сил природы - сильных и слабых ядерных сил, электромагнитных сил и гравитации.
Все эти открытия сделаны учеными, которые посвятили свою жизнь науке. В то время диплом MBA на заказ передать на написание кому-то было невозможно, только систематический труд, упорство, наслаждение своим стремлением - позволило им стать знаменитыми.
Зарождение и развитие физики как науки. Физика - одна из древнейших наук о природе. Первыми физиками были греческие мыслители, которые предприняли попытку объяснить наблюдаемые явления природы. Величайшим из древних мыслителей был Аристотель (384-322 pp. До н. Н.э.), который ввел слово «<{> vai ?,» («фюзис»)
Что в переводе с греческого означает природа. Но не подумайте, что "Физика" Аристотеля хоть как-то похожа на современные учебники по физике. Нет! В ней вы не найдете ни одного описания опыта или прибора, ни рисунка или чертежа, ни одной формулы. В ней - философские размышления о вещах, о времени, о движении вообще. Такими же были все труды ученых-мыслителей античного периода. Вот как римский поэт Лукреций (ок. 99-55 pp. До н. Н.э.) описывает в философской поэме «О природе вещей» движение пылинок в солнечном луче: От древнегреческого философа Фалеса (624-547 pp. До н. Э) берут начало наши знания по электричеству и магнетизму, Демокрит (460-370 pp. до н. э) является основоположником учения о строении вещества, именно он предположил, что все тела состоят из мельчайших частиц - атомов, Евклиду (III в. до н. н.э.) принадлежат важные исследования в области оптики - он впервые сформулировал основные законы геометрической оптики (закон прямолинейного распространения света и закон отражения), описал действие плоских и сферических зеркал.
Среди выдающихся ученых и изобретателей этого периода первое место занимает Архимед (287-212 pp. До н. Н.э.). Из его работ «О равновесии плоскостей», «О плавающих телах», «О рычаги» начинают свое развитие такие разделы физики, как механика, гидростатика. Яркий инженерный талант Архимеда проявился в сконструированных им механических устройствах.
С середины XVI в. наступает качественно новый этап развития физики - в физике начинают применять эксперименты и опыты. Одним из первых является опыт Галилея с бросания ядра и пули с Пизанской башни. Этот опыт стал знаменитым, поскольку его считают «днем рождения» физики как экспериментальной науки.
Мощным толчком к формированию физики как науки стали научные труды Исаака Ньютона. В работе «Математические начала натуральной философии» (1684 г.) он разрабатывает математический аппарат для объяснения и описания физических явлений. На сформулированных им законах было построено так называемое классическое (Ньют-новский) механику.
Быстрый прогресс в изучении природы, открытие новых явлений и законов природы способствовали развитию общества. Начиная с конца XVIII в., Развитие физики вызывает бурное развитие техники. В это время появляются и совершенствуются паровые машины. В связи с широким их использованием в производстве и на транспорте этот период времени называют «возрастом пары». Одновременно углубленно изучаются тепловые процессы, в физике выделяется новый раздел - термодинамика. Наибольший вклад в исследовании тепловых явлений принадлежит С. Карно, Р. Клаузиуса, Д. Джоуля, Д. Менделеев, Д. Кельвину и многим другим.
Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит , Эпикур , Лукреций),была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.
Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем . Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.
Наука возродилась лишь в 15–16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15–16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.
Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).
Развитие Ф. как науки в современном смысле этого слова берёт начало с трудов Г. Галилея (1-я половина 17 в.), который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике (см. Галилея принцип относительности), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника. Значительные результаты были получены им и в др. областях Ф. Он построил зрительную трубу с большим увеличением и сделал с её помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения Галилсем первого термометра.
В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В.Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У.Гильбертом . Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.
Основным достижением Ф. 17 в. было создание классической механики. Развивая идеи Галилея, Х.Гюйгенса и др. предшественников, И. Ньютон в труде "Математические начала натуральной философии" (1687) сформулировал все основные законы этой науки (см. Ньютона законы механики). При построении классической механики впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне. С появлением механики Ньютона было 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 замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально. Им были впервые четко сформулированы классические 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.
Большое значение для развития Ф. имело открытие Л. Гальвани и А. Вольта электрического тока. Создание мощных источников постоянного тока – гальванических 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 Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами – электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов (Ампера закон).
В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная). При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно которой 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.
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. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака , на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым .
Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.
На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды – газа – Джоуль, Клаузиус и др. вычислили средние значения различных физических 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 кинетической энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.
Второй этап развития молекулярно-кинетической 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-кинетической теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистической механики. Л.Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью макроскопических процессов. Термодинамическому 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 кинетической энергии по степеням свободы.
Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения , подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена .
Во 2-й половине 19 в. длительный процесс изучения электромагнитных явлений был завершен Максвеллом. В своей основной работе "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), которые 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 электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект – порождение магнитного поля переменным электрическим 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.
Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных 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 механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.
В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.
На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.
В конце 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абсолютного 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 классической электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h = 6,6×10 -27 эрг ×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. с. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта , не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.
Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической 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.
В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В.Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.
Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.
В работах Ф. Блоха , Х. А. Бете и Л. Неель Гинзбурга квантовой электродинамики. Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота a-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко , Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.
Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.
В 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235 U и создана атомная бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления 235 U в мирных, промышленных целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы во многих странах.
нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – резонансы , среднее время жизни которых составляет всего 10 -22 –10 -24 сек. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля – теории, ещё далёкой от завершения.
Физики никогда не успокаиваются. Новые особенности обнаруживаются не только в движении планет, новыми свойствами недавно был наделен и космический вакуум, разделяющий планеты. Привычное для нас представление о вакууме как о совершенной пустоте сменилось вполне обоснованной гипотезой, что вакуум при определенных условиях может… рождать на свет элементарные частицы.
Космический вакуум
Космический вакуум действительно нельзя считать пустотой - поле тяготения всегда пронизывает его. А при появлении невероятно сильного электромагнитного или ядерного поля в вакууме могут возникнуть частицы, которые в обычном спокойном состоянии пространства ничем себя не обнаруживают. Сейчас ученые обдумывают эксперименты, которые подтвердили бы или опровергли эту интересную и важную для дальнейшего развития физики гипотезу.
Физики продолжают углубленно изучать не только свойства вакуума, но и структуру твердых тел, предполагая использовать для исследовательских целей все более энергичное излучение с малой длиной волны. Советский физик А. Ф. Тулинов и шведские исследователи В. Домей и К. Бьерквист «осветили» кристаллы не рентгеновским излучением или электронным лучом, а… пучком протонов. Рассеиваясь на ядрах атомов кристаллов, протоны дали возможность получить на фотопленке очень четкое изображение кристаллической решетки, определить положение отдельных атомов. Плавно изменяя энергию пучка протонов и глубину их проникновения в исследуемые образцы, авторы нового метода структурного анализа смогли получить снимки дефектов кристаллической решетки на различной глубине от поверхности без разрушения кристаллов.
Кристаллы различных веществ, пристально рассмотренные под ярким «светом» частиц высоких энергий, оказались отнюдь не похожими на холодное царство из неподвижно застывших геометрически правильных рядов атомов. Под влиянием вводимых примесей, при воздействии температуры, давления, электрического и магнитного полей в столь невозмутимых внешне кристаллах могут происходить удивительные превращения: например, в одних из них рост температуры вызывает исчезновение металлических свойств, в других наблюдается обратная картина - изолирующий кристалл, не пропускавший электрический ток, становится металлом.
Линии электропередач и спутники Земли - символы крупных технических достижений физики XIX и XX веков. Какие изобретения и открытия ознаменуют успехи физики будущих веков?
Советский физик Э. Л. Нагаев теоретически предсказал, что при определенных условиях только отдельные области в кристаллах будут изменять свои свойства. Кристаллы некоторых полупроводников становятся при этом похожими на… пудинги с изюмом: изюминки представляют собой проводящие шарики, разделенные диэлектрическими прослойками, и в целом такой кристалл не пропускает электрический ток. Тепло и магнитное поле могут заставить шарики соединиться друг с другом, изюминки будто растворяются в пудинге - и кристалл превращается в проводник электрического тока. Эксперименты вскоре подтвердили возможность осуществления в кристаллах подобных переходов…
Не все, однако, удается предсказать и рассчитать заранее. Часто толчком для создания новых теорий служат непонятные результаты экспериментов в лаборатории или странные явления, которые внимательному наблюдателю удается подметить в Природе.
Солитоны
Одно из таких явлений - солитоны , или одиночные волны, которые сейчас активно обсуждаются и исследуются многими физиками,- впервые было замечено… в августе 1834 года. Английский ученый первой половины прошлого века Дж. Скотт Рассел оставил нам такое описание: «Я следил за движением бота, который быстро тащила по узкому каналу пара лошадей. Когда он внезапно остановился, масса воды в канале, которую приводил в движение бот, пришла вблизи носа судна в состояние сильного волнения, внезапно оторвалась от него, покатилась вперед с огромной скоростью, приняв форму большого уединенного возвышения, округлого, гладкого и хорошо выраженного, которое продолжило свой путь по каналу без видимого изменения формы или уменьшения скорости».
Только через полвека теоретики получили уравнение движения такой одинокой волны. В наши дни волны-солитоны обнаружены при особых условиях на воде, в потоке заряженных ионов, во время распространения звука, оптических волн, лучей лазера и даже… при движении электрического тока.
Волна, которую мы привыкли видеть и описывать как равномерное колебание многих частиц среды или электромагнитного поля, неожиданно превращается в сгусток энергии, одиноко и быстро бегущий в любой среде - в жидкости, газе, твердом теле. Солитоны несут с собой всю энергию обычной волны, и, если причины их возникновения будут хорошо изучены, возможно, в недалеком будущем именно они начнут переносить энергию любого вида, необходимую человеку, на большие расстояния, например снабжать жилые дома электричеством, полученным полупроводниковыми фотоэлементами в космосе из солнечного света…
Полупроводниковые фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, которые показывает автор книги, мгновенно превращают световое излучение любой длины волны в электрическую энергию, чутко откликаются на свет Солнца и далеких звезд.
Солитоны обладают свойствами не только волн, но и частиц. Японский физик Нарюши Асано, давно изучающий физические процессы, приводящие к возникновению одиноких волн, считает, что ученые должны прежде всего получить ответы на два важных вопроса: какую роль играют солитоны в природе и являются ли они элементарными частицами?
Лямбда-гиперон
Непрерывен поиск ученых в области элементарных частиц, в разработке теории, которая объединила бы теперь все виды взаимодействий, обнаруженных в природе. Физики-теоретики считают также, что во Вселенной могут существовать атомы, чьи ядра состоят не только из нейтронов и протонов. Один вид таких необычных ядер был обнаружен экспериментально в космических лучах польскими физиками еще в 1935 году: кроме протонов и нейтронов, в них оказалась еще одна сравнительно долгоживущая и сильно взаимодействующая частица - лямбда-гиперон . Такие ядра получили название гиперядер.
Сейчас физики изучают поведение гиперядер, рожденных на ускорителях, и внимательно анализируют состав приходящих к Земле космических лучей, пытаясь обнаружить еще более необычные частицы вещества.
Просторы Вселенной продолжают приносить физикам новые открытия. Несколько лет назад в космосе была обнаружена гравитационная линза. Свет, излучаемый одним из квазаров, далекой и яркой звездой, отклоняясь полем тяготения галактик, расположенных между Землей и квазаром, создавал иллюзию, что в этом участке неба расположены… два квазара-близнеца.
Ученые доказали, что раздвоение изображения возникает по законам преломления света, только этот оптический «прибор» имеет огромные размеры!
Воссоздать Природу на лабораторном столе
Но не только теоретические модели и наблюдения за природой помогают ученым понять суть мира малого и большого. Изобретательные физики-экспериментаторы умудряются воссоздать Природу на лабораторном столе.
Недавно в научном журнале «Физика плазмы» появилось сообщение об удачной попытке воспроизвести в земных условиях… вспышки на Солнце. Группа исследователей Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве сумела смоделировать в лабораторной установке магнитное поле Солнца; в момент резкого разрыва тока, протекавшего по слою проводящего газа в этом поле, возникло сильное рентгеновское излучение - точь-в-точь как на Солнце в момент вспышки! Ученым стало яснее, отчего возникают грозные явления Природы - солнечные вспышки…
Физики из Грузии воссоздали звездные процессы и провели изящные и интересные опыты, вращая (с внезапными остановками) относительно друг друга цилиндрические и сферические сосуды, заполненные жидким гелием, при тех очень низких температурах, когда гелий становится сверхтекучим. Физики очень похоже имитировали «звездотрясение» пульсаров, которое может произойти, если внешний «нормальный» слой радиоисточника в какой-то момент начнет вращаться с меньшей скоростью, чем сверхтекучее ядро пульсара.
Оказывается, даже явления, происходящие на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от нас, можно экспериментально получить на Земле…
Исследователи узнают много интересного и необычного о Природе в их вечном стремлении к истине. Несмотря на все величие достижений науки XX века, физики не забывают слова одного из их коллег: «…существование людей зависит от любознательности и сострадания. Любознательность без сострадания - бесчеловечна. Сострадание без любознательности - бес-полезно…»
Многих ученых сейчас интересуют не только грандиозные процессы выделения энергии нейтронными звездами или мгновенные превращения элементарных частиц; их волнует открытая современной физикой возможность разнообразной помощи биологам и медикам, помощи человеку теми великолепными устройствами и сложными приборами, которыми владеют пока лишь представители точных наук.
Физика и философия
Одно очень важное свойство роднит физику с философией, из которой она вышла,- физика может убедительно, с помощью цифр и фактов ответить на вопрос любознательного человека: велик или мал мир, в котором мы живем? И тут же возникает вопрос-близнец: велик или мал человек?
Ученый и писатель Блез Паскаль называл человека «мыслящим тростником», подчеркивая тем самым, что человек хрупок, слаб и беззащитен перед явно превосходящими силами неживой Природы; единственное оружие и защита человека - его мысль.
Вся история физики убеждает, что обладание этим неосязаемым и невидимым оружием дает возможность человеку проникнуть необычайно глубоко в мир бесконечно малых элементарных частиц и достичь самых далеких уголков нашей необъятной Вселенной.
Физика показывает нам, как велик и в то же время близок мир, в котором мы живем. Физика позволяет почувствовать человеку все свое величие, всю необыкновенную силу мысли, которая делает его самым могущественным существом на свете.
«Я не становлюсь богаче, сколько бы ни приобретал земель…- писал Паскаль,- а вот с помощью мысли я охватываю Вселенную».