Энциклопедия Кольера - физика

Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина "физика" сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства вещества, обусловленные особенностями его атомной структуры, биология, изучающая живые организмы и т.д. Помимо традиционных предметов исследования, о которых пойдет речь ниже, физика занимается столь разными проблемами, как поведение смазки в машинах, процессы образования химических связей, хранение и передача генетической информации в живых системах и т.д. Объединяющий принцип физики как науки кроется не столько в предметах исследования, сколько в подходе к их изучению, и этим физика отличается от других наук. Опираясь на определенные аксиомы и гипотезы, проводя эксперименты и используя математические методы, она стремится объяснить все многообразие природных явлений исходя из небольшого числа взаимосогласующихся принципов. Физик надеется, что, когда о природных явлениях станет известно достаточно много и когда они будут достаточно хорошо поняты, множество других, на первый взгляд разрозненных и не связанных с ними фактов уложатся в простую, допускающую математическое описание схему.

РАННЯЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ

До эпохи Возрождения, последовавшей за тысячелетием застоя, большинство научных открытий было совершено в Древней Греции, хотя родиной многих открытий и изобретений были также арабские страны и Китай. Особенно больших успехов греки достигли в математике и астрономии. Правда, многое из того, что принято в наследство от древних греков, было известно уже вавилонянам. Однако именно греки ввели понятие доказательства. Греческим мыслителям мы обязаны и другой важной идеей: о возможности объективного познания природы. И все же физика древних греков во многом была несовершенной. Ее основные представления были разработаны Аристотелем и базировались на аналогиях с поведением человека и животных в том смысле, что явления природы объяснялись целями, достижению которых они якобы служат. Греческие астрономы наблюдали небо и записывали свои наблюдения, однако не существует никаких свидетельств того, что они проводили научные эксперименты. Античный мир породил лишь две фигуры, внесшие важный вклад в формирование основ современной физики: Демокрит из Абдеры (ок. 460-370 до н.э.) во Фракии (ныне Болгария) и Архимед из Сиракуз (ок. 287-212 до н.э.). Демокрит первым из великих математиков оказал глубокое влияние на развитие физики. Более всего Демокрит известен как создатель атомистической теории. Идея атомистики, по-видимому, зародилась у его учителя Левкиппа из Милета, фигуры апокрифической, о котором мало что известно. Аргументы атомистов носили косвенный характер (чему вряд ли приходится удивляться, если принять во внимание, что прямые экспериментальные исследования атомных явлений стали возможны только в 20 в.). Они полагали, что, хотя в природе и происходят непрерывные изменения, в ней также, по всей видимости, имеется некий неизменный субстрат. Демокриту этот субстрат виделся как совокупность атомов, а рост и распад организмов и растений лишь как проявления изменений в расположении неизменных атомов. Плавление твердых тел и испарение жидкостей он объяснял как переход совокупности атомов к менее связанному состоянию. Эпохальные открытия часто можно отнести к одной из двух категорий. Открытие первого рода состоит в обнаружении неожиданно нового явления в эксперименте, который может быть повторен с тем же результатом кем угодно; такое открытие заставляет пересмотреть понятия, ранее считавшиеся твердо установленными. В качестве примера можно привести обнаружение Галилеем спутников Юпитера и открытие Рентгеном излучения, носящего ныне его имя. К открытиям другого рода принадлежат такие, в которых наблюдаемые явления оставляют место для размышлений и выводов. Такие открытия в конечном счете основаны на свойственном ученому интуитивном ощущении природы вещей, и именно к ним относятся открытия, совершенные Левкиппом и Демокритом. К этой же категории принадлежат теория строения Солнечной системы Коперника и специальная и общая теории относительности Эйнштейна. Второй великий предтеча современной физики, Архимед, был величайшим математиком древности. В центре его интересов была статика, которая занимается изучением сил в состоянии равновесия. Например, Архимед показал, как находить центр тяжести различных геометрических фигур. Другая важная работа Архимеда трактат о гидростатике и плавающих телах. Хотя его труды, в отличие от атомистической теории, не были нацелены на выяснение самой сути природы, они позволили физике подняться еще на одну ступень, показав, как с помощью математики можно расширить физические представления. Иногда математика дает возможность систематизировать все следствия некой физической гипотезы, выражая их в виде соотношений, истинность или ложность которых поддается экспериментальной проверке. В древности этот вывод сделал для себя, пожалуй, лишь Архимед; в Средние века этот урок был предан забвению, и его пришлось открывать заново в эпоху Возрождения.

ВОЗРОЖДЕНИЕ

В конце 16 в. в теоретической астрономии возник кризис, распространившийся и на другие области естествознания. Его результатом стал полный переворот во взглядах человека на самого себя и на окружающий его мир. Событие, послужившие причиной такого переворота, внешне выглядело вполне заурядно: в 1543 вышла в свет книга Коперника Об обращениях небесных сфер (De Revolutionibus), в которой было показано, что движение небесных тел легче понять и описать, если предположить, что в центре Солнечной системы находится Солнце, а Земля лишь одна из планет, которые обращаются вокруг него. Старая птолемеевская теория помещала неподвижную Землю в центр мироздания, а звезды и планеты, которые мыслились расположенными на прозрачных сферах, обращались вокруг Земли.

НИКОЛАЙ КОПЕРНИКНовая теория предлагала по-новому посмотреть на устройство мира. По Аристотелю, Земля находится в центре мироздания потому, что состоит из тяжелых веществ, которых заставило собраться в центре мира их естественное движение. Каждый объект во Вселенной имеет свое собственное место, к которому он стремится, если может двигаться свободно и если его место не занято чем-то другим, что должно находиться в другом месте. Место земли, воздуха, огня и воды под самой низкой сферой, сферой Луны. Все в более высоких сферах состоит из особой субстанции эфира и не подвержено ни изменению, ни гибели. Понятия собственного места и назначения применимы повсюду: в царствах растений и животных, в человеческих сообществах, в нематериальном мире. Выше всего этого стоит Бог, придающий смысл мирозданию и дарующий ему существование. Солнечная система была важной частью Божественного замысла, и когда Коперник поставил под вопрос эту часть, стало ясно, что опасность грозит и всему целому. К началу 1600-х годов опасность стала еще более реальной. Немецкий астроном И.Кеплер (1571-1630) усовершенствовал коперниковскую теорию, заменив круговые орбиты эллипсами, а неравномерное движение равномерным, после чего новая теория стала настолько точной, что обращение к старой стало просто неуместным. В 1608 флорентийский математик и физик Галилео Галилей (1564-1642) изобрел телескоп, с помощью которого вскоре удалось получить наглядное подтверждение правильности новой теории, и решился высказать мысль, которая должна была произвести переворот в умах итальянцев и прежде всего в умах папы Урбана VIII и кардиналов. "О философии писал Галилей можно прочесть в величественной книге я имею в виду Вселенную, и эта книга постоянно открыта нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать символы, которыми она пользуется. Написана же она на языке математики, а символы ее треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова; без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту".

ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙТысячу лет люди искали истину в бесконечных спорах о латинских текстах отцов церкви. Оказывается, они использовали не тот язык и не те книги. После нескольких тайных заседаний суда инквизиции Галилею было запрещено следовать коперниковскому учению. Галилей не подчинился и в 1633 в возрасте 70 лет был вызван на публичный процесс, отрекся от своего учения, несмотря на это, был приговорен к пожизненному домашнему аресту. Но этот запрет вернул Галилея к фундаментальным исследованиям, и через пять лет он опубликовал свой последний и наиболее значительный труд Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки (рус. перевод 1934). Науки эти статика, занимающаяся изучением сил, находящихся в равновесии, и динамика, изучающая движения под действием сил. Эта работа Галилея стала основой исчерпывающего объяснения коперниковской системы, которое Ньютон дал спустя 50 лет.

ПРИРОДА КАК МЕХАНИЗМ

И. Ньютон (1643-1727) родился в протестантской Англии менее чем через год после смерти Галилея. Научная деятельность Ньютона протекала в основном в Кембридже, где в 1669 он стал профессором математики. Первые открытия в области математики и физики были им сделаны в 24 года. Его открытия в области механики и астрономии подробно изложены в Математических началах натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687). Изложение начинается с формулировок трех законов механики, из которых выводится все остальное в виде последовательности утверждений, задач и математических расчетов, перемежаемых пояснениями (называемыми схолиями), в которых Ньютон комментирует сделанное. Три закона механики формулируются просто: 1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. 2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. 3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны. (Перевод А.Н.Крылова)

Новым в системе Ньютона стало понятие силы не просто как некоего действия, а как величины. В первых двух книгах Начал Ньютон показывает, как найти, что произойдет с физическими системами, если к ним приложить различные силы. Далее он рассматривает, какого рода тела встречаются в природе и какие силы на них действуют. Здесь для проверки ньютоновской теории была использована астрономия область знания, в которой на протяжении 2000 лет велись тщательные наблюдения за движением планет, а последующие работы Коперника и Кеплера привели к созданию непротиворечивой модели Солнечной системы. В книге III Ньютон показал, что огромное множество самых разнообразных явлений и процессов движение планет, Луны, спутников Юпитера, комет, приливы, прецессию равноденствий и т.д. можно объяснить, если принять гипотезу о существовании силы всемирного тяготения, действующей между любыми двумя телами и изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Подробные вычисления были выполнены им с помощью оригинальных математических методов, о которых Г.Лейбниц дал такой отзыв: "Если взять математику от начала мира до того времени, когда жил Ньютон, то сделанное им гораздо лучшая ее половина".

ИСААК НЬЮТОНОбрисовав достижения Ньютона в механике, мы должны теперь упомянуть о том, чего ему не удалось достичь. Существует ряд других сил, принципиально отличных от гравитационных, законы которых он так и не открыл. Он также не предложил никакого объяснения трем законам движения (впрочем, следует признать, что все это по большей части осталось необъясненным и поныне). На протяжении всей своей жизни он питал надежду объяснить химические явления, применяя к поведению атомов те же законы, что и к движению планет. Ньютон был последовательным атомистом, убежденным, что все вещество состоит из "твердых, массивных, жестких, непроницаемых, подвижных корпускул", а его интуитивное представление о единстве природы привело к совершенно правильному заключению, что корпускулярные свойства присущи также и свету. Далее Ньютон с атомистических позиций рассматривает некоторые химические реакции. В своих рассуждениях Ньютон предвосхитил многие положения химической науки наших дней, но, как нам теперь ясно, его замысел в принципе не мог быть доведен до завершения, ибо химические явления столь сложны, что без развития экспериментальной техники, лишь в 20 в. открывшей возможность детального исследования свойств отдельных атомов и субатомных частиц, не было никаких шансов понять, что представляют собой атомы, как они взаимодействуют с образованием химических соединений и каким образом свойства атомов, входящих в состав молекулы данного соединения, определяют его свойства. Еще до Ньютона ряд передовых мыслителей, например Декарт, представляли мир как механизм, действующий по законам причинности и не имеющий границ. Задуманный и сотворенный Богом, этот механизм далее мог функционировать самостоятельно, возможно, лишь под Его наблюдением. Сознание человека было островком в центре мироздания, всесторонне связанным с божественным механизмом. И хотя жить с такой философией было не слишком уютно и множество вопросов оставалось без ответа, она явилась благодатным облегчением после тысячелетия теологического гнета. Почти 150 лет, последовавших за выходом ньютоновских Начал, физическая наука рационализировалась и систематизировалась без сумятицы и кипения страстей, привносимых новыми идеями. Основной прогресс в этот период заключался в развитии математического аппарата, позволявшего быстро и корректно рассчитывать следствия, вытекающие из теоретических представлений. Потраченные усилия дали такие плоды, что последующим поколениям ученых, воспитанным на этой философии, оказалось необычайно трудно отказаться от ньютоновского подхода, когда механистическая картина мира стала настолько сложной, что утратила те черты, которые ранее делали ее столь привлекательной. Проследим теперь за наследием ньютоновской философии, распространившейся в различные области исследования, поскольку многие ее слабые, равно как и сильные стороны до сих пор дают о себе знать.

Астрономия. Хотя ныне считается, что благодаря Галилею и Ньютону стало понятным устройство Солнечной системы, было бы большой ошибкой думать, что их идеи сразу же получили признание. После выхода Начал еще целое поколение студентов Кембриджа продолжало изучать планетную теорию Декарта, в которой гравитация не играла никакой роли, а на континенте астрономические идеи Ньютона вообще не воспринял ни один из великих математиков, его современников, ни Лейбниц, ни Гюйгенс, ни Бернулли. На ум приходит горькое замечание М.Планка: "Новая научная истина торжествует не потому, что переубеждает оппонентов и открывает им глаза, а потому, что ее оппоненты постепенно уходят из жизни и вырастает новое поколение, для которого она новой уже не является". Следует также иметь в виду, что очень долго существовали серьезные основания сомневаться в справедливости теории Ньютона. Она проста применительно к движению одной планеты вокруг Солнца и дает результаты, которые согласуются с эмпирическими законами движения планет Кеплера: планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном из фокусов; прямая, проведенная от Солнца к планете, за равные промежутки времени охватывает равные секториальные площади; отношение куба среднего расстояния до Солнца к квадрату периода обращения вокруг Солнца есть величина постоянная для каждой из планет. Существовавшие же данные астрономических наблюдений отличались не только высокой точностью, но и охватывали более чем 2000-летний период времени, а эти данные показывали, что наблюдаемое движение планет отклоняется от предсказанного на основании столь простых законов; так, Юпитер в действительности движется быстрее и находится ближе к Солнцу, а Сатурн медленнее и дальше от Солнца. И лишь в 1784, спустя 97 лет после выхода Начал, П.Лаплас установил, что эти расхождения связаны с возмущениями орбит, вызванными взаимным притяжением планет, и согласуются с законами Ньютона. Были обнаружены и получили свои объяснения и другие расхождения теории и наблюдений, и лишь в 1915 А.Эйнштейн (1879-1955) показал, что обнаруженное задолго до этого небольшое несоответствие в движении Меркурия требует для своего объяснения новой теории. Общая теория относительности Эйнштейна явилась первой серьезной модификацией теории планетных движений Ньютона. К сожалению, предсказываемые этой теорией эффекты настолько слабы, что окончательная ее проверка еще впереди. И поныне ряд несоответствий остается без объяснения.

Оптика. Линзы появились в весьма древние времена. Кусок горного хрусталя в форме линзы был найден в развалинах Ниневии. Аристофан (5 в. до н.э.) был знаком с применением линз в качестве зажигательных стекол. Через три столетия александрийский астроном Птолемей проводил опыты по преломлению света при переходе его из воздуха в воду или стекло; составленные Птолемеем таблицы сохранились до нашего времени. Древнегреческие мыслители занимались и теорией зрения. Пифагорейцы, как и Демокрит, учили, что видимый предмет посылает в глаз наблюдателя частицы света. Платон и его последователи считали, что мы видим, когда некое явление, источаемое из нашего глаза, взаимодействует с влияниями, исходящими от объекта и Солнца. Бурное развитие науки знаменовалось изобретением новых оптических инструментов и новой волной интереса к зрительному процессу. Около 1608 появился телескоп. Почти сразу же после этого были изобретены микроскопы, которые нетрудно получить из телескопов, просто переставив линзы. Диоптрика (Dioptrica) Кеплера, в которой впервые излагалась теория оптических инструментов, была опубликована в 1611, а закон преломления света при входе в стекло и выходе из него, который пытался установить еще Птолемей, оставался неизвестным до 1637, когда Декарт опубликовал его в своей Диоптрике (Dioptique). Формулировка этого закона (правда, отличная от обычной) была обнаружена в трудах голландского математика В.Снеллиуса уже после его смерти в 1626. Декарт объяснял закон Снеллиуса гипотетическим изменением скорости света при переходе через границу сред, однако фактически о скорости света не было известно ничего, кроме того, что она очень велика. В 1676 датчанин О.Ремер показал, что наблюдаемые в движении спутников Юпитера отклонения можно объяснить, допустив, что свету требуется 22 мин для преодоления расстояния, равного диаметру земной орбиты. Единственное значение для диаметра земной орбиты, которым астрономы располагали в то время, была грубая и довольно произвольная оценка, предложенная директором Парижской обсерватории Ж.Кассини, и из нее следовало, что скорость света составляет около 200 000 км/с. Адекватные оценки размеров Солнечной системы были получены только сто лет спустя, но лишь в 1849 А.Физо впервые измерил скорость света в лабораторных условиях. С тех пор скорость света стала одной из наиболее точно установленных постоянных. На сегодняшний день ее точное значение равно 299792458 В± 1,2 м/с. Параллельно с усовершенствованием оптических приборов и оптических измерений был выстроен ряд теоретических предположений относительно природы света. Некоторые из них описаны в статье Свет, о других будет сказано ниже.

Звук. Изучение звука снова возвращает нас в античность, где туманная традиция связывает начало таких исследований с именем Пифагора. Насколько можно судить, философы Древней Греции за 500 лет до н.э. экспериментально исследовали различия между благозвучными (консонантными) и неблагозвучными (диссонантными) музыкальными интервалами. Они сделали вывод, что если колеблющуюся струну прижимать в различных точках и щипком заставлять колебаться каждую из двух частей струны, то чем "проще" отношение длин двух частей, на которые разделилась струна, тем более благозвучным окажется консонантный интервал издаваемых звуков. Под простыми понимаются отношения 2:1, 3:2, 4:3 и т.д., соответствующие музыкальным интервалам октаве, квинте, кварте и т.д. Эти интервалы составляли основу всей западной музыкальной гармонии до 13 в., и хотя кварта более не считается гармоническим интервалом, продолжая Пифагоров ряд отношений до 5:4 и 6:5, мы получаем большую и малую терции фундаментальные интервалы западной музыки последних 500 лет. Что касается физической природы звука, то многое здесь было известно уже Аристотелю. В дошедшем до нас в виде фрагментов трактате Звук и слух (см. Aristotelis opera. Ed. Academia regia borussica, v. 1-5, B, 1831-1870) он приводит подробное и точное описание распространения звуковых волн в воздухе. Римский архитектор Витрувий, знакомый с аристотелевской традицией, посвятил одну из книг своего сочинения Об архитектуре (De architectura) (ок. 10 до н.э.) акустике театров и других зданий, заложив этим основания науки, известной сегодня под названием архитектурной акустики. После Витрувия в развитии акустики наступила пауза, которая продолжалась до 17 в., когда акустическими проблемами занялись Галилей и Ньютон. Галилей исследовал разные источники звука, в частности колеблющиеся струны, и показал, что частота колебаний струны, а следовательно, и частота издаваемого звука определяются ее физическими свойствами длиной, натяжением и массой. Ньютон поставил перед собой более трудную задачу описать на языке математики процесс распространения звуковой волны в воздухе. Проведенный им анализ, опиравшийся на известные тогда данные об упругости воздуха, дал теоретическое значение скорости звука 298 м/с, тогда как из опытов Флемстида и Галлея было получено значение 348 м/с. Столь значительное расхождение удалось объяснить лишь в 1816, когда Лаплас указал на то, что величина упругости воздуха, на основании которой вычисляется скорость звука, должна отличаться от обычно измеряемой, т.к. изменения в звуковой волне происходят очень быстро и в воздухе не успевает установиться тепловое равновесие. Внеся в вычисления Ньютона поправку в этом единственном пункте, Лаплас получил формулу, прекрасно согласующуюся с самыми точными экспериментальными данными. Сегодня часто ставят обратную задачу: определяют упругость газа по измеренной скорости звука в нем. Когда механизм возникновения звука и его природа были объяснены на основе фундаментальных законов движения, акустика перестала быть чисто умозрительной дисциплиной, и после Лапласа ее развитие шло по трем направлениям: практические потребности (проектирование концертных залов, создание музыкальных инструментов и звуковоспроизводящей аппаратуры), физиологические и психологические аспекты восприятия звука и чистая теория. Второе из названных направлений породило новую область физического познания область очень интересную и трудную, поскольку в ней изучается субъективный процесс, по сути тот же, посредством которого он сам и исследуется. Здесь физика трудится рука об руку с несколькими другими науками. Основополагающие труды по физиологии слуха и зрения принадлежат Г. Гельмгольцу (1821-1894). Его книги Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки (СПб, 1875) и О зрении (СПб, 1896), по всеобщему признанию, являются научной классикой. Сущность звука лишь один из вопросов чистой физики, и ответ на него давно получен. И все же существует мало других разделов физики, разветвленные приложения которых вызывали бы такой всеобщий интерес и, судя по публикациям, доставляли бы такое удовольствие работающим в них исследователям.

См. также Звук И Акустика.

Теплота и термодинамика. Еще каких-нибудь сто лет назад господствовало представление о теплоте как о некой калорической жидкости. Считалось, что эта жидкость есть во всех телах, и от того, сколько ее содержится в теле, зависит его температура. В том, что температура тел, находящихся в тепловом контакте, выравнивается, усматривали аналогию с установлением общего уровня жидкости в сообщающихся сосудах. Теория калорической жидкости в том виде, как ее сформулировал Дж.Блэк (1728-1799), могла объяснить широкий круг явлений. Однако в некоторых пунктах встречались затруднения. Например, хорошо известно, что если нагревать лед, то его температура не повышается до тех пор, пока весь лед не растает. Такое тепло Блэк назвал "скрытым" (термин "скрытая теплота плавления" сохранился поныне), имея в виду, что при таянии льда теплота как-то переходит в частицы воды, не производя обычного эффекта. Вода вмещает большое количество скрытой теплоты, и когда Б.Румфорд (1753-1814) показал, что вес льда при таянии остается неизменным, было решено, что калорическая жидкость невесома. В другом опыте, проведенном в Мюнхенском арсенале на станке, на котором рассверливали стволы пушек, Румфорду удалось добиться выделения огромного количества тепла при небольшом количестве металлической стружки: для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом. Румфорд счел, что его опыт убедительно доказал несостоятельность теории калорической жидкости, но ее сторонники возразили, что в материи очень много калорической жидкости и даже при сверлении тупым сверлом высвобождается только малая ее часть. Калорическая теория, подлатанная таким образом, просуществовала примерно до 1850. Однако еще Демокрит более чем за 2000 лет до этого выдвигал другую гипотезу. Если материя состоит из крохотных частиц, то отличие твердого тела от жидкости определяется разной силой их сцепления. Если принять, что вначале при нагревании частицы твердого тела начинают просто сильнее колебаться, оставаясь на своих местах, то разумно предположить, что при нагревании выше определенной температуры частицы будут срываться со своих мест, образуя жидкость, а при дальнейшем нагревании произойдет следующее превращение жидкость станет газом. Галилей высказал аналогичную идею в 1623, а Декарт писал в 1644, что "под теплом и холодом следует понимать не что иное, как ускорение и замедление материальных частиц". Ньютон, расходившийся с теорией Декарта почти по всем вопросам, в этом пункте был с ней согласен. Хорошо известно, что движение тел при наличии трения порождает тепло и, наоборот, тепло может порождать движение, как это происходит в паровой машине и в двигателе внутреннего сгорания. Возникает вопрос: сколько работы может совершить тепловая машина, если подвести к ней заданное количество тепла? Ответить на этот вопрос весьма трудно, и в его рассмотрении необходимо выделить два этапа. Первое положение, которое мы должны отметить, то, что совершение тепловой машиной некоторой работы сопровождается исчезновением определенного количества тепла. Говоря о механической работе, совершаемой машиной, пионер в этой области французский физик Н.Карно (1796-1832) употреблял термин "движущая сила". В записной книжке, обнаруженной после смерти Карно в 1878, говорилось: "Тепло может быть колебательным движением частиц. Если это так, то количество тепла есть не что иное, как механическая энергия, затраченная на приведение частиц в колебательное движение ... Таким образом, можно сформулировать общий принцип, согласно которому количество движущей силы в природе неизменно; точнее говоря, она не создается и не исчезает". Этот принцип имеет для физики огромное значение. Он называется законом сохранения энергии, а в контексте данного раздела первым началом термодинамики. Слово "энергия", введенное в научный оборот Т.Юнгом в 1807, здесь имеет смысл "полного количества энергии", которое остается постоянным и включает в себя тепловую, кинетическую и все прочие формы энергии, которые встретятся нам в дальнейшем. Не стремясь к особой строгости, можно определить энергию как способность совершать работу, а ее мерой, какую бы форму ни принимала энергия, можно считать количество механической работы, которой энергия эквивалентна. Карно удалось найти численное выражение эквивалентности тепла и работы. В современных единицах полученный им результат таков: 3,7 джоуля эквивалентно 1 калории (более точное значение равно 4,19). То же самое открытие было сделано врачом Ю. Майером (1814-1878), заметившим изменения в интенсивности обмена веществ (как мы сказали бы это сейчас) у моряков, совершавших плавание в экваториальных водах. В 1842 Майер пришел к заключению, что механический эквивалент одной калории равен 3,85 джоуля, но его главной заслугой было глубокое интуитивное уяснение важности и универсальности нового принципа, позволившее ему применять закон сохранения энергии в столь разных областях, как физиология, небесная механика и теория приливов. Однако самый существенный вклад в развитие принципа сохранения энергии внес Дж.Джоуль (1818-1889). В 1843-1848 он провел серию опытов по изучению взаимных превращений электрической, тепловой, механической и внутренней энергии и на основании полученных данных заключил, что механический эквивалент тепла составляет от 4,25 до 4,60. Тщательные измерения Джоуля вооружили противников теории калорической жидкости многочисленными весомыми аргументами, и эта теория оказалась окончательно опровергнутой: тепло как вид энергии может возникать и исчезать, но при этом общее количество энергии в мире остается неизменным. Для установления первого начала термодинамики потребовалось столь много времени потому, что существует еще один принцип, ограничивающий величину работы, которую можно совершить при данном количестве тепла. Этот принцип тоже был открыт Карно и изложен им в тоненькой брошюрке Рассуждения о движущей силе огня (Reflexions sur la puissance motrice de feu, 1824). В ней Карно показал, что если тепло подводится к машине при температуре T1, а отводится при температуре T2 (это могут быть температуры, при которых водяной пар поступает в паровую машину и отводится от нее), то существует некий максимум работы, которую может совершить машина при данном количестве тепла. Этот максимум всегда меньше полного количества тепла и определяется только величинами T1 и T2, независимо от того, какое вещество переносит тепло. Из закона сохранения энергии следует, что часть тепла, подводимого к машине, уходит с отработавшим теплоносителем, оставаясь неиспользованным. Чем ниже температура теплоносителя, тем труднее использовать его энергию на совершение работы. В килограмме воды при комнатной температуре больше тепловой энергии, чем в 10 г пара, но энергию последнего значительно легче извлечь. Таким образом, в результате любого превращения энергии в работу с теплоносителем уходит какое-то количество менее "полезной" энергии, и никакой компенсирующий процесс не может увеличить ее "полезность". В математической форме это положение выразил Р.Клаузиус (1822-1888), введя величину, которую он назвал энтропией и которая является мерой "бесполезности" (с точки зрения совершения работы) энергии. Любой процесс, в результате которого тепло превращается в работу, сопровождается повышением энтропии окружающей среды. Было установлено, что любая попытка уменьшить энтропию приводит к еще большему ее увеличению где-нибудь в другом месте. Ныне этот принцип называется вторым началом термодинамики. Содержание всей своей работы Клаузиус сформулировал в виде двустрочия, помещенного в конце статьи:

Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму.Этот максимум отвечает состоянию, в котором вся материя будет иметь одну и ту же температуру и нигде не будет "полезной" энергии. Но уже задолго до того, как будет достигнуто такое состояние, жизнь станет невозможна. Пессимистический интеллектуальный климат конца 19 в. во многом связан с открытием этих двух абсолютных ограничений для будущего человечества.

Молекулярно-кинетическая теория. Развитая в трудах Клаузиуса, Кельвина (1824-1907) и их последователей наука термодинамика преуспела в установлении связей между множеством различных физических и химических явлений на основе первого и второго начал термодинамики, однако существуют пределы, за которыми столь общие утверждения уже не в силах объяснить происходящее. Необходимо было выяснить, каковы размеры частиц вещества и как они движутся. Не зная этого, невозможно, например, предсказать, при какой температуре будет плавиться данное твердое вещество, каковы его скрытая теплота плавления и электрические свойства. В общую схему термодинамики необходимо было включить законы, которым подчиняется движение отдельных молекул. Проблема, с которой столкнулись здесь ученые, была несравненно более трудной, чем ранее. Молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно, и выводы можно делать, опираясь только на коллективные свойства систем, состоящих из миллиардов частиц. Первый шаг в создании молекулярно-кинетической теории сделал Д.Бернулли в своей книге по гидродинамике (Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738). Бернулли принял, что газ состоит из чрезвычайно малых частиц, которые движутся быстро и свободно, если не считать столкновений. Эти частицы осыпают стенки сосуда ударами; каждый такой удар слишком слаб, чтобы его можно было ощутить, но огромное число ударов проявляется как постоянное давление. Затем путем рассуждений, неявно опирающихся на законы Ньютона, Бернулли пришел к выводу, что если медленно сжать газ, не изменяя скоростей движения частиц, то давление повысится, так что произведение давления на объем останется постоянным. Именно это соотношение для газа, сжимаемого при постоянной температуре, экспериментально открыл Р.Бойль в 1660. Бернулли указал также, что нагревание газа должно приводить к увеличению скорости частиц, а тем самым к повышению давления вследствие увеличения числа и силы ударов частиц о стенки сосуда. Десятью годами позднее аналогичные идеи были высказаны русским ученым М.В.Ломоносовым, который дополнительно указал на то, что если верхнего предела для скоростей молекул газа, а следовательно, и для температуры в принципе не существует, то нижний предел нулевая скорость существует всегда, следовательно, должен существовать нижний предел температуры, ниже которого ничего нельзя охладить. Ныне этот предел называют абсолютным нулем. Примечательно, что эти соображения обратили на себя внимание лишь 120 лет спустя, а потому ощутимого влияния на становление молекулярно-кинетической теории практически не оказали. Вместо этого физики и математики на протяжении столетия боролись с ложным представлением Ньютона о взаимном отталкивании всех атомов. Здесь нужно упомянуть одну из самых малоизвестных в истории науки фигур Дж.Уотерсона (1811-1883). Инженер и учитель, Уотерсон опубликовал в 1843 довольно неясно написанную книгу, прочитанную лишь немногими, в которой изложил некоторые соображения о свойствах газа, состоящего из быстро движущихся молекул. В 1845 он представил в Королевское общество подробную статью, которая, однако, была отвергнута как непригодная для публикации. По мнению одного из рецензентов, статья Уотерсона "нонсенс, неприемлемый даже для публичного прочтения". Впоследствии Уотерсону удалось все же опубликовать некоторые из своих работ, но они остались без внимания. Уотерсон прожил довольно долго и стал свидетелем того, как другие удостоивались похвал и признания за открытия, которые гораздо раньше сделал он сам. И все же он не дожил до того времени, когда к тем же выводам пришел Дж.Рэлей в 1891, отдавший должное его трудам. В 1856 к идеям Бернулли ученые вернулись снова. А.Крониг (1822-1879), годом позже Клаузиус и в 1860 Дж.Максвелл (1831-1879), великолепно владевший математическим аппаратом, на основе законов Ньютона предприняли систематический анализ газа из частиц, слишком малых, чтобы их можно было видеть, и взаимодействующих при участии сил, зависимость которых от расстояния могла быть задана лишь в самом общем виде. Так была заложена основа кинетической теории газов, или молекулярно-кинетической теории (в вопрос о природе молекул и их отношении к структуре вещества внес ясность в начале 19 в. А.Ампер). Эта теория давала оценки масс молекул, их размеров (около двух-трех стомиллионных сантиметра), среднего расстояния между молекулами в газе и в обобщенном виде охватывала все явления, порождаемые случайным действием огромного числа частиц. Позже, благодаря трудам Л.Больцмана (1844-1906) и Дж.Гиббса (1839-1903), она превратилась в науку, известную под названием статистической механики. Больцман показал, что второе начало термодинамики вывод не более чем статистический. Постепенное разупорядочение во Вселенной аналогично постепенной утрате порядка в первоначально упорядоченной колоде игральных карт при многократном ее тасовании, и подобно тому как карты могут расположиться в исходной последовательности, если колоду перетасовать чудовищно большое число раз, так и вся Вселенная в один прекрасный день чисто случайно вернется в то состояние, из которого она когда-то вышла. (Оптимизма в такой концовке сценария умирающей Вселенной несколько поубавится, если оценить время, необходимое для случайного самопроизвольного возрождения.) Гиббсу принадлежит также заслуга создания химической термодинамики, на которой основаны современная теория химических реакций и вся химическая промышленность.

См. также Химическая Термодинамика. У кинетической теории, равно как и у атомистической гипотезы, есть один серьезный недостаток: до тех пор пока поведение молекул нельзя будет наблюдать непосредственно, невозможно быть уверенным в правильности этой теории. Никакие подтверждения предсказаний молекулярно-кинетической теории на макроскопическом уровне не могут полностью исключить возможность того, что, подобно теории калорической жидкости или ньютоновской теории газа, она дает приемлемые с научной точки зрения результаты, исходя из неверных посылок. И действительно, еще в 1900 такие выдающиеся ученые, как физик Э.Мах и химик В.Оствальд, заявляли, что не желают рассматривать атомы иначе как гипотезу, позволяющую объяснять некоторые наблюдаемые явления. Но вскоре ситуация резко изменилась. Поскольку молекулярный масштаб слишком мал для прямых наблюдений (и остается таковым поныне, если не считать весьма специальных условий), единственная надежда на "установление контакта" с миром молекулярно-кинетических явлений состоит в том, чтобы найти некий объект промежуточных размеров, достаточно малый для того, чтобы на нем непосредственно сказывались движения молекул, и в то же время достаточно большой для прямого наблюдения. В 1905 А.Эйнштейн, тогда служащий швейцарского патентного бюро в Берне, опубликовал работу, посвященную теоретическому анализу поведения частиц микроскопических размеров, свободно движущихся в жидкости. Разумеется, с каждой такой частицей ежесекундно сталкиваются случайным образом тысячи молекул, но, подобно всем случайным событиям, эти столкновения не могут в точности уравновесить друг друга (так же как при 100 бросаниях монеты редко выпадают ровно 50 орлов и 50 решек). Эйнштейну удалось вывести закон, по которому происходит случайное блуждание частиц: их среднее удаление от исходной точки возрастает как квадратный корень из времени. Вся теория Эйнштейна была изложена в виде цепочки формул. Подставляя в них определенные числа, можно было получать массы молекул. В примечании, данном в конце работы, Эйнштейн сообщал, что описываемое им явление, по-видимому, наблюдал в 1827 шотландский ботаник Р.Броун, исследовавший под микроскопом цветочную пыльцу, взвешенную в воде. Не прекращающиеся ни на миг блуждания частиц пыльцы (теперь эти блуждания называются броуновским движением) возбудили тогда некоторое любопытство, их даже приписали столкновениям частиц с молекулами, но лишь Эйнштейн усмотрел в броуновском движении мостик, соединяющий макроскопический и микроскопический миры.

См. также

Термодинамика;

Молекулярно-кинетическая Теория.

Электричество и магнетизм. Долгое время большинство физиков рассматривали эти явления как несущественные курьезы. Первым, кто предположил, что они со временем будут играть важную роль в понимании природных явлений, был, по-видимому, Ньютон. Начало научных наблюдений электрических и магнитных явлений связывают с именем английского физики У.Гильберта (1540-1603). Он провел ряд опытов, пытаясь доказать, что земной магнетизм можно объяснить, если представить Землю в виде большого сферического магнита. Первые опыты с электричеством (этот термин ввел Гильберт) были поставлены с целью дать ответ на вопрос, существуют ли два типа носителей электричества или же отрицательный заряд это просто отсутствие заряда положительного. Деление зарядов на положительные и отрицательные восходит к Б.Франклину (1706-1790), одному из немногих людей в Америке 18 в., которые интересовались общенаучными вопросами. Первые количественные измерения, предпринятые для того чтобы установить законы электричества, были выполнены в конце 18 в. Тогда целому ряду исследователей удалось разными путями показать, что электрические силы сходны с гравитационными в том отношении, что они тоже обратно пропорциональны квадрату расстояния, хотя два электрических заряда могут и притягиваться, и отталкиваться, а под действием гравитационных сил тела могут только притягиваться друг к другу. Вскоре Ш.Кулон (1736-1806), один из тех, кто исследовал взаимодействие электрических зарядов и сформулировал закон, которому это взаимодействие подчиняется, установил аналогичную закономерность для магнитных сил.

См. также

Магниты И Магнитные Свойства Вещества;

Электричество И Магнетизм. Все последующие события берут начало с изобретения А.Вольта (1745-1827) в 1800 электрической батареи, с помощью которой можно было получать постоянный электрический ток. Это изобретение позволило совершить множество открытий. Многие из них принадлежат М.Фарадею (1791-1867), чье имя в экспериментальной науке стоит почти так же высоко, как имя Ньютона в науке теоретической. Открытия, о которых идет речь, можно разделить на три группы: электрохимические, оптические и электромагнитные. К последним относятся наблюдения Х.Эрстеда (1820), обнаружившего, что электрический ток создает магнитное поле, и Фарадея (1831), продемонстрировавшего, что переменное магнитное поле создает электрическую силу. Эти открытия в свою очередь показали, что электричество и магнетизм должны быть тесно связаны между собой. Было достаточно легко представить электрический ток как некую жидкость, текущую по проводнику под действием электрических сил, но электромагнитные явления не поддавались такому простому механистическому объяснению, и, как мы увидим в дальнейшем, их физическая интерпретация привела к крушению того, что называли механистической картиной мира. Но прежде чем переходить к этому, расскажем о последнем блестящем успехе механистического подхода.

МАЙКЛ ФАРАДЕЙСтроение атома. Обычные природные явления не дают никаких свидетельств о внутреннем строении атомов; почти все "коллективные" свойства газов и жидкостей и многие "коллективные"свойства твердых тел можно объяснить, считая атомы твердыми шариками, между которыми действуют силы взаимного притяжения. Однако в конце 19 в. стало очевидно, что существуют по крайней мере два класса явлений, для объяснения которых нужно более подробно знать, что именно представляет собой атом. Один из этих классов составляют явления, свидетельствующие о том, что атомы, лишь незначительно различающиеся по массе, могут обладать существенно разными химическими свойствами. Другой класс явлений связан со спектроскопией, которая занимается анализом света, испускаемого раскаленными газами и парами. Оказалось, что такой свет представляет собой набор волн с определенными частотами, характерными для каждого сорта атомов. В первые годы 20 в. было построено несколько моделей атома. К этому времени стало известно, что одним из его составных элементов является электрон частица с отрицательным электрическим зарядом и массой, в несколько тысяч раз меньшей массы атома. Из того, что в целом атом электрически нейтрален, следовало, что наряду с электронами атом содержит какие-то компенсирующие положительные заряды. В 1911-1912 строение атома было в общих чертах установлено. Э.Резерфорд (1871-1937) начал свою научную карьеру с разгадки тайн радиоактивности явления, открытого в 1896 А.Беккерелем. В 1911, работая в Манчестерском университете, Резерфорд получил экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что положительный заряд атома сосредоточен в его небольшой массивной сердцевине ядре. Резерфорд сразу же высказал предположение, что атом устроен аналогично Солнечной системе: роль Солнца играет атомное ядро, а роль планет электроны.

См. также

Атома Строение;

Атомного Ядра Строение. После открытия, сделанного Резерфордом, было естественным попытаться воспользоваться ньютоновской механикой, чтобы описать строение атома, в частности, размеры атомов, их химические свойства и спектры. Начало работам в этом направлении было положено Н.Бором, практикантом, приехавшим в Манчестер к Резерфорду из Дании. Бор решил начать с простейшего из атомов водорода, в котором, согласно планетарной модели Резерфорда, должен быть один электрон, обращающийся вокруг одной тяжелой частицы, называемой протоном. Кроме того, частоты эмиссионного спектра водорода составляли простой набор, который точно описывался формулой, подобранной И.Бальмером в 1885. Бор быстро обнаружил, что одних законов Ньютона недостаточно для того, чтобы объяснить стабильность атома и испускание света только определенных частот; эти законы необходимо дополнить новым законом, не опирающимся на предшествующую физику. Согласно этому закону, из всех возможных орбит, по которым электрон может обращаться вокруг ядра в соответствии с ньютоновской механикой, в природе реализуется только небольшой набор орбит, удовлетворяющих некоторому математическому условию. "Постулаты Бора" и идея Эйнштейна о природе лучистой энергии (о чем будет сказано ниже) позволили Бору получить формулу Бальмера. За этим успехом, открывшим путь к познанию строения атома, последовало качественное объяснение основных химических свойств всех атомов. Но темные места все же оставались, и самым загадочным было то, что теория Бора не могла объяснить спектр или хотя бы стабильность любого атома, более сложного, чем атом водорода. Не поддавался анализу даже атом гелия с всего лишь двумя электронами, вращающимися вокруг ядра, положительный заряд которого вдвое больше заряда протона. Напрашивался вывод, что атом водорода следует рассматривать как некое исключение и что успех Бора, возможно, был чисто случайным. В действительности же механистическая концепция достигла пределов своего развития и в ближайшем будущем ей предстояло уступить место иному взгляду на физические явления, который подспудно формировался на протяжении многих лет.

ПРИРОДА КАК ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИЕ ПОЛЯ

Для Ньютона и его современников было вполне естественным спрашивать себя, откуда берется сила гравитации и как она действует. Он понимал, что данный предмет далеко не прост. Ему казалось невероятным, чтобы два тела могли взаимодействовать через разделяющее их абсолютно пустое пространство. В письме Р.Бентли Ньютон писал: "То, что тяготение должно быть внутренне присущим, неотъемлемым и необходимым для материи, так, чтобы одно тело могло действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего-либо еще, представляется мне столь большой нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям". Во времена Ньютона такой агент назывался эфиром, и этому представлению предстояло трансформироваться в более утонченное понятие поля. Теория поля заняла центральное место в современной физике так же как материальный атомистический механизм был центральной концепцией физики предшествующих столетий. Теорий эфира было много, и каждая из них возникла в ответ на необходимость объяснения действия той или иной силы на расстоянии. Так, были эфиры гравитационный, электрический, магнитный и светоносный (последний эфир был гипотетической средой, обеспечивающей распространение света). Под воздействием общефизических представлений своего времени теории эфира приобретали более механистический характер эфиры были жидкостями, подчинявшимися законам Ньютона или другим аналогичным законам, а передаваемые ими влияния носили характер механического действия. По мере накопления знаний о свете сам свет начали представлять как волновое движение в светоносном эфире, аналогичное распространению звука в воздухе. Впервые эта точка зрения была высказана в 1746 выдающимся математиком Л.Эйлером (1707-1783). Вначале взгляды Эйлера не встретили понимания, поскольку противоречили ньютоновской корпускулярной теории света, но получили признание после двух решающих экспериментальных подтверждений. Первым подтверждением стала интерференция двух наложенных световых пучков от одного и того же источника, при которой совпадение горбов и впадин одной волны с горбами и впадинами другой создает картину, состоящую из светлых и темных пятен. Такие явления были известны со времен Ньютона, систематически же их исследовали с точки зрения волновой теории в 1801 Т.Юнг (1773-1829) и позднее О.Френель (1788-1827). Объяснения интерференции с позиций корпускулярной теории выглядели неуклюже, но их было принято считать верными, и лишь после того, как Юнг в 1817 предложил свое объяснение поляризации света, корпускулярная теория была вынуждена уступить место волновой. Поляризованный свет обладает пространственной направленностью, не свойственной звуку, и это обстоятельство навело Юнга на мысль, что световые волны в отличие от звуковых являются поперечными, т.е. в них, как и в волнах на воде, колебания происходят поперек направления их распространения (а не вдоль, как в звуковых, продольных волнах). Волновая теория света объясняет все известные явления интерференции и поляризации, но поиски механической модели, которая сделала бы ее понятной, столкнулись с непреодолимыми трудностями. Проблема в том, что эфир как физическая субстанция должен быть достаточно плотным, чтобы свет мог распространяться по нему с огромной скоростью, но все же не слишком плотным, чтобы мешать движению планет и других объектов. К тому же эфир должен обладать некоторой упругостью поперечные волны могут распространяться в желе, но не в воде. (Наблюдаемые нами волны на воде распространяются только по ее поверхности.) Ныне трудно себе представить, что идея механического эфира могла восприниматься столь серьезно, но так уж сильна была власть ньютоновского механицизма, что понадобились колоссальные интеллектуальные усилия, чтобы окончательно его отбросить. Между тем формировалась новая концепция. На М.Фарадея, занимавшегося изучением магнетизма, сильное впечатление произвели картины, образуемые железными опилками на листке бумаги вблизи полюсов магнита. Опилки выстраивались в линии, и Фарадей установил, что их направление в каждой точке совпадает с направлением силы, создаваемой в этой точке магнитом. Попадая в области более или менее интенсивного магнитного поля, линии всегда сходились в пучок или, наоборот, расходились, и Фарадей догадался, что они дают видимую картину чего-то, что и в их отсутствие реально существует в пространстве вблизи полюсов магнита. Это "что-то" получило название поля. Фарадей заключил, что поле состоит из "магнитных силовых линий"; позднее он обнаружил существование аналогичных электрических силовых линий и в 1846 высказал предположение, что свет это поперечные колебания, распространяющиеся вдоль силовых линий. Гипотеза Фарадея была первым предвосхищением установленной впоследствии тесной связи между светом, с одной стороны, и электричеством и магнетизмом с другой. Заслуга создания теории электромагнитного поля, как его стали называть, в основном принадлежит Дж. Максвеллу (1831-1879). В 1856, будучи научным сотрудником Тринити-колледжа в Кембридже, Максвелл начал работать над созданием механической теории электрического и магнитного полей, намереваясь выразить точным математическим языком идеи Фарадея. К 1861 Максвелл создал весьма сложную, но многообещающую картину эфира как текучей среды, передающей некоторые напряжения и допускающей сложные вихревые движения. Исходя из таких наглядных представлений, он вывел систему дифференциальных уравнений, связывающих различные компоненты электрического и магнитного полей. Уравнения описывали как статические явления, например кулоновские электрические и магнитные взаимодействия, так и динамические, например, открытые Фарадеем. Кроме того, уравнения Максвелла позволили предсказать новую взаимосвязь между электрическим и магнитными полями их согласованное распространение в виде поперечных волн со скоростью 306 000 км/с. К тому времени уже было известно, что свет распространяется примерно с такой же скоростью, а эксперименты Физо (1849) дали значение, весьма близкое к полученному Максвеллом. Это замечательное согласие говорило о том, что Максвеллу удалось построить столь давно ожидаемую теорию света и к тому же объяснить все электрические и магнитные явления. Оправдалось пророческое замечание Фарадея (1851): "Если эфир существует, то, вероятно, передача излучений не есть его единственное назначение". Теория Максвелла наряду с теорией Бора явилась высшим достижением механистического подхода. Сегодня мы видим в его теории электромагнитного поля две стороны. Изящные симметричные уравнения, которые и поныне считаются корректными и полными, сопровождает неуклюжая концепция эфира, призванная эти уравнения объяснить. В 1864 Максвелл представил уточненный вариант своей теории Королевскому обществу. Эфир входил в эту теорию неявно, как фон для физических соотношений электромагнитного поля, но был лишен всех свойств, кроме тех, которые следовали из самих полевых уравнений. Однако крупнейших физиков того времени, в том числе Кельвина и Гельмгольца, теория Максвелла не убедила, и Кельвин, доживший до 1907, так и не признал ее. Многие же физики более молодого поколения приняли теорию Максвелла, и основную роль здесь сыграли эксперименты Г.Герца (1857-1894), который впервые осуществил генерацию и прием электромагнитных волн. Эксперименты Герца не только подтвердили теорию Максвелла, но и заложили основы радиотехники. Теория Максвелла привела к самым большим теоретическим продвижениям в физике со времен Ньютона. Максвелл пришел в физику, когда в ней господствовали идеи движущихся центров силы, а покинул ее, заложив основы представления о поле, которое проявляется в том, что оказывает силовое воздействие на вещество, а также переносит энергию. Последнее обстоятельство более всего наполняет поле реальностью: без труда можно представить, что электрические заряды создают силы, действующие на другие заряды на расстоянии, но если один материальный объект дает вспышку излучения, которое впоследствии поглощает другой объект, то закон сохранения энергии будет нарушен, если не принять, что за время от испускания до поглощения излучения энергия распространяется в форме поля. Сегодня физика в основном занята изучением взаимодействующих полей, одним из которых является поле Максвелла. Все эти поля распространяются в виде волн, но не в какой-либо среде, как звуковые волны в воздухе, а просто как волны поля. Пример старшего поколения ученых, долго относившегося к идее таких "бестелесных" волн с недоверием, как к некой мистификации, в очередной раз напоминает нам о трудностях становления подлинно новых научных идей.

Принципы относительности. Одна из наиболее характерных особенностей любого физического поля то, в каком виде оно предстает перед наблюдателем. Например, покоящийся электрический заряд создает чисто электрическое поле. Но если заряд движется относительно наблюдателя или, что эквивалентно, если наблюдатель движется относительно заряда, то поле оказывается отчасти и магнитным. То же самое можно сказать о поле, создаваемом магнитом, и мы приходим к заключению, что разграничение электрического и магнитного полей существует только в некой определенной системе отсчета. Если же мы выберем новую систему отсчета так, чтобы она двигалась относительно старой, то граница сгладится чисто электрическое поле приобретет магнитную компоненту, а чисто магнитное электрическую. На этот счет к 1900 были известны два положения. Во-первых, уравнения Максвелла описывают ситуацию в целом правильно. Во-вторых, если речь идет только о самом явлении, то существенно лишь относительное движение наблюдателя и объекта наблюдения. Эта истина, так называемый принцип относительности, воплощена в законе инерции Галилея и пронизывает всю схему механики Ньютона. В конце 19 в. физики, к своему удивлению, обнаружили, что эти два положения математически не согласуются между собой и что можно утверждать либо одно, либо другое, но не то и другое одновременно. Теория эфира предлагала такой выход: электрический заряд, покоящийся в эфире и измеренный движущимся наблюдателем, не эквивалентен движущемуся заряду для неподвижного наблюдателя. А.Пуанкаре (1854-1912), исследовав такое предположение, понял, что оно привносит в законы электричества асимметрию, которая не отвечает ничему наблюдаемому в природе. Выход указал в 1905 А. Эйнштейн замечательной теорией, названной им позднее частной (специальной) теорией относительности. Приняв за основу правильность уравнений Максвелла, Эйнштейн показал, что принцип относительности может быть сохранен, если радикально пересмотреть не подвергавшиеся на протяжении столетий сомнению фундаментальные понятия пространства и времени. Работа Эйнштейна стала частью системы образования нового блестящего поколения физиков, выросшего в 1920-х годах. Последующие годы не выявили в частной теории относительности каких-либо слабых мест.

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН (справа Р.Оппенгеймер).Однако Эйнштейну не давало покоя то обстоятельство, ранее отмеченное Ньютоном, что вся идея относительности движения рушится, если ввести ускорение; в этом случае в игру вступают силы инерции, отсутствующие при равномерном и прямолинейном движении. Через десять лет после создания частной теории относительности Эйнштейн предложил новую, в высшей степени оригинальную теорию, в которой главную роль играет гипотеза искривленного пространства и которая дает единую картину явлений инерции и гравитации. В этой теории принцип относительности сохранен, но представлен в гораздо более общей форме, и Эйнштейну удалось показать, что его общая теория относительности с небольшими изменениями включает большую часть ньютоновской теории тяготения, причем одно из этих изменений объясняет известную аномалию в движении Меркурия. На протяжении более 50 лет после появления общей теории относительности в физике ей не придавалось особого значения. Дело в том, что расчеты, производимые на основе общей теории относительности, дают почти такие же ответы, как и вычисления в рамках теории Ньютона, а математический аппарат общей теории относительности намного сложнее. Проводить длинные и трудоемкие расчеты стоило лишь, чтобы разобраться в явлениях, возможных в гравитационных полях неслыханно высокой интенсивности. Но в 1960-х годах, с наступлением эры космических полетов, астрономы начали сознавать, что Вселенная гораздо разнообразнее, чем это представлялось вначале, и что могут существовать такие компактные объекты с высокой плотностью, как нейтронные звезды и черные дыры, в которых гравитационное поле действительно достигает необычайно высокой интенсивности. В то же время развитие вычислительной техники отчасти сняло бремя утомительных расчетов с плеч ученого. В результате общая теория относительности начала привлекать внимание многочисленных исследователей, и в этой области начался бурный прогресс. Были получены новые точные решения уравнений Эйнштейна и найдены новые способы интерпретации их необычных свойств. Более детально была разработана теория черных дыр. Граничащие с фантастикой приложения этой теории указывают на то, что топология нашей Вселенной гораздо сложнее, чем можно было думать, и что могут существовать другие вселенные, отстоящие от нашей на гигантские расстояния и соединенные с ней узкими мостиками искривленного пространства. Не исключено, конечно, что это предположение окажется неверным, но ясно одно: теория и феноменология гравитации это математическая и физическая страна чудес, которую мы едва начали исследовать.

См. также

Черная Дыра;

Нейтронная Звезда.

Кванты. Читателю уже известно, что для описания весьма и весьма многих материальных систем пригодна механика Ньютона, а для правильного описания всех электромагнитных полей необходима теория Максвелла. Теперь мы хотим показать, что в действительности эти два подхода просто два крайних случая единой картины, называемой квантовой теорией. Как и теории Ньютона и Максвелла, это некая математическая схема, но гораздо более трудная для объяснения на нематематическом языке, поскольку квантовая теория не основывается на интуитивных представлениях, которые лишь уточнялись бы математикой. Для большей ясности в дальнейшем изложении мы откажемся от исторического подхода, т.к. ряд важных открытий был сделан в "неподходящее время" и в такой последовательности, которая затрудняет их понимание. В 1887 Герц, изучая электромагнитное излучение, попутно сделал открытие, установив, что свет, падающий на металлическую поверхность, каким-то образом делает ее электрически заряженной. В последующие годы удалось выяснить, что свет выбивает из металла отрицательные электрические заряды. Ныне это явление называется фотоэлектрическим эффектом. В 1898 Дж.Дж.Томсон (1856-1940) установил, что отрицательные заряды переносятся микроскопическими частицами с массой, в тысячи раз меньшей массы любого атома. Томсон назвал эти частицы электронами. Далее, в основном благодаря усилиям Эйнштейна (1905), выяснилось, что свет имеет двойственную природу: это и частицы, называемые ныне фотонами, и волны. В разных экспериментах он ведет себя по-разному. Не располагая объяснением этого странного явления, физики принялись за поиск новых идей. Простейшую и, как оказалось в дальнейшем, наиболее плодотворную идею высказал Л.де Бройль (1892-1987). В 1924 он предложил распространить загадочную двойственность света и на материю и высказал предположение, что электрон должен обнаружить свои волновые свойства, если поставить эксперимент по интерференции электронов, аналогичный экспериментам по интерференции света, которые в свое время были проведены Т.Юнгом. Такие эксперименты вскоре были выполнены и дали предсказанные де Бройлем результаты. Кроме того, де Бройль предположил, что орбитальный электрон в теории Бора описывает вокруг ядра замкнутую волну, и выглядевшие до этого произвольными постулаты Бора для определения энергетических уровней атома водорода получили простое и естественное объяснение. Напомним в связи с этим, что с момента своего появления в 1913 теория Бора оказалась почти бесплодной в объяснении количественных свойств атомов, отличных от атома водорода. Теперь настало время разрешить проблему строения атома, что и было сделано почти одновременно двумя физиками. В 1925 В.Гейзенберг (1901-1976) развил несколько громоздкий математический аппарат с трудно постижимым физическим смыслом, позволявший тем не менее быстро получать правильные ответы на некоторые вопросы, связанные со строением атома. В следующем году Э.Шредингер (1887-1961), исходя из гипотезы де Бройля о волнах материи, сделал практически то же, что в свое время сделал Максвелл в связи с гипотезой Юнга о волновой природе света: вывел полевые уравнения, позволявшие объяснить большинство атомных свойств. В 1927 Шредингер показал, что его теория, сильно отличавшаяся своими физическими допущениями от теории Гейзенберга, по своему математическому содержанию эквивалентна ей. Единство физических явлений с волновой точки зрения обусловлено тем, что свет и все другие формы материи можно представить в виде полей в пустом (в остальных отношениях) пространстве, описываемых некоторыми уравнениями, показывающими, как поля изменяются в пространстве и времени и как они взаимодействуют сами с собой и друг с другом. Различия же между светом и веществом с этой точки зрения связаны с особенностями математического представления различных полей и структурой полевых уравнений. Теперь нам нужно объяснить корпускулярность полей. Труднее всего понять, каким образом поле, по самой своей сущности однородное и непрерывное, может проявлять себя как нечто дискретное и разрывное. В такой постановке проблема восходит к 1900, когда М.Планк (1858-1947) пытался объяснить интенсивность и цвет излучения, испускаемого раскаленным твердым телом. Он был вынужден допустить, что материальный объект, испускающий излучение с частотой n, делает это не непрерывно, как можно было бы ожидать, а малыми порциями квантами, каждый из которых несет энергию Е, пропорциональную частоте. Если соотношение пропорциональности записать в виде E = hn, то оказывается, что коэффициент пропорциональности h имеет одно и то же значение для всех форм материи (ныне он называется постоянной Планка). В 1905 Эйнштейн воспользовался идеей Планка, объяснив фотоэлектрический эффект как результат столкновений фотонов с электронами, а в 1913 Бор в поисках объяснения дискретности частот излучения, испускаемого атомами, создал свою чисто механическую теорию, включив в нее гипотезу Планка о дискретности квантов и введя в различные формулы постоянную Планка h. Уравнения, выведенные де Бройлем, Гейзенбергом и Шредингером, содержали h, так что постоянная Планка стала своего рода символом дискретности природы. Выраженная в обычных единицах, величина h представляет собой очень малое число, и следовательно, дискретность лежит намного ниже уровня восприятия наших рецепторов, но тем не менее она участвует во всех процессах, сопровождающихся излучением или поглощением энергии в возникновении и распространении света и звука, во взаимодействии частиц и многом другом. Дискретные порции энергии любого вида называются квантами, а вся теория, имеющая с ними дело, квантовой теорией. Теория Гейзенберга и Шредингера называлась по-разному квантовой или волновой механикой в зависимости от того, какая точка зрения была принята. Кванты различных полей получили названия с окончанием -он: фотон для света, фонон для звука, электрон, протон, нейтрон и т.д. Квантовая теория заставила физиков пересмотреть взгляды на все, что происходит в атомных масштабах, а также на многие обычные явления. Но ее самой глубокой новой идеей стало понятие неопределенности, которое мы не станем обсуждать здесь подробно. Скажем только, что оно утверждает существование некоторых пределов, в которых ни познание, ни объяснение физических явлений невозможны даже в принципе. В этих пределах все происходящее носит случайный характер в том смысле, что причинность в ее надлежащем понимании не действует. Однозначные причинные формулировки механистической картины мира в таких ситуациях уступают место статистическим утверждениям, дающим лишь вероятности, но не позволяющим абсолютно точно предсказать результаты конкретного эксперимента. Кажущаяся точность законов динамики в том виде, в каком их изложил Ньютон и придерживались его последователи, в квантовой теории предстает как прямое следствие статистического "закона больших чисел", согласно которому статистические утверждения тем точнее, чем больше выборка, на основании которой они сделаны. В очень упрощенном виде ситуация с дуализмом вещество поле на сегодня выглядит так: поле основной способ описания материи, но у него есть аспекты дискретности, напоминающие о ньютоновской концепции вещества (и света) как субстанции, состоящей из малых частиц, взаимодействующих между собой. В атомном масштабе ситуация действительно очень отличается от той, которая представлялась Ньютону, поскольку проявляются неопределенности и нарушения причинности, но на макроуровне эти эффекты исчезают, что дает возможность предсказывать события с точностью пусть и не абсолютной, но вполне достаточной для любых практических целей. Таким образом, механистическая картина мира предстает перед ними как практическое следствие фундаментальной теории полей, хотя, если перейти на микроуровень, мы не можем теперь вслед за Левкиппом сказать, что "все имеет причину и является результатом необходимости". Мы не знаем, как будет выглядеть современная квантовая теория через сто лет, и хотя некоторым она кажется странной и непонятной, тем не менее она ни разу не пришла в противоречие с экспериментом, а область ее применимости все время расширяется.

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА

До 1940-х годов основные виды известной тогда материи выглядели довольно просто: атом состоял из электронов, движущихся вокруг массивного ядра; при некоторых условиях он испускал свет в форме квантов, называвшихся фотонами; ядра состояли из нейтронов и протонов (нуклонов), каждый из которых обладал массой, примерно в 1840 раз превышающей массу электрона; частица третьего типа с массой, промежуточной между массой электрона и протона, названная "мезоном", отвечала за взаимодействие частиц ядра (нуклонов), а фотон, квант электромагнитного поля, удерживал вместе электрон и ядро. В то время было естественно рассматривать все перечисленные выше частицы как элементарные формы материи, аналогичные элементам традиционной химии, из которых состоит все, что нас окружает. Однако с открытием в последнее время большого числа новых частиц зародилось сомнение в том, что все они действительно элементарны. Основные работы в этой очень трудной области физики ведутся в научно-исследовательских центрах, располагающих чрезвычайно дорогостоящими экспериментальными установками. В Соединенных Штатах это Брукхейвенская и Аргоннская национальные лаборатории, Национальная лаборатория ускорителей близ Чикаго, Станфордский линейный ускоритель, в Западной Европе ЦЕРН, Европейский совет по ядерным исследованиям (European Council for Nuclear Research) в Женеве, объединяющий 12 стран. Несколько научно-исследовательских центров, возникших при больших ускорителях, имеется в России. Главная задача фундаментального изучения материи состоит в том, чтобы как можно больше узнать о всех возможных ее формах, т.е. установить, какие бывают элементарные частицы и каковы их свойства, объяснить, почему наша Вселенная содержит именно эти, а не другие разновидности частиц. В 1970-х годах возникла теория, в которой элементарные частицы считались состоящими из еще более фундаментальных "кирпичиков" материи кварков. Сначала кварков было всего три, затем их стало 12, а чуть позже 15. Как это часто бывало в прошлом с другими теориями материи, с каждым таким расширением списка частиц усиливалось подозрение, что теория кварков при всей ее привлекательности все же не является подлинно фундаментальной. Второе общее направление, которому следует в своем развитии фундаментальная физика сегодня, это изучение форм материи, состоящих из большого числа связанных частиц. Одно из направлений такого рода исследований занимается изучением газов, частицы которых слабо связаны и основное время проводят в свободном полете. Если не считать поведения газов при экстремальных условиях (такого рода вопросы интересуют тех, кто, например, занимается изучением ракетных двигателей), в этой области знаний сейчас нет ни одного принципиального вопроса, на который нельзя было бы дать ответ. Что касается жидкостей и твердых тел, то здесь предстоит выяснить еще многое. В частности, твердые тела обладают разнообразными механическими, электрическими и магнитными свойствами, для объяснения которых недостаточно знать, из каких частиц эти тела состоят, поскольку упомянутые свойства зависят также от их агрегатного состояния. Физика твердого тела быстро развивающаяся область науки, и отчасти это связано с ее большим прикладным значением: так, транзисторы и другие полупроводниковые устройства, созданные как результат исследований и разработок в области физики твердого тела, произвели настоящую революцию в электронике.

См. также

Интегральная Схема;

Транзистор. Еще одно состояние агрегации мы находим в атомном ядре. Поскольку ядро очень мало и его составляющие прочно связаны ядерными силами, оно представляет собой очень трудный объект для изучения, так что сведения о его структуре и типах внутриядерного движения весьма скудны. Исследования в этой области широко поддерживаются правительствами, поскольку ядерной энергии придется удовлетворять значительную часть энергетических потребностей человечества, когда иссякнут источники нефти и угля. Наконец, упомянем о физике плазмы, одной из новых областей науки. Плазма это раскаленный газ, состоящий из проводящих электричество ионов и электронов, но его поведение заметно отличается от поведения газа при обычных условиях. Если учесть, что все звезды и значительная часть межзвездного вещества плазма, то получается, что во Вселенной в таком состоянии находится более 99% материи. Следовательно, для проникновения в тайны космоса необходимо как можно более полно исследовать свойства самой плазмы. Кроме того, для создания наиболее перспективных термоядерных источников энергии, по-видимому, потребуется воспроизвести условия, царящие в недрах звезд. До Второй мировой войны почти все значительные исследования в области физики выполнялись в университетских лабораториях, поддерживаемых университетскими фондами. После войны ситуация изменилась по трем причинам. Во-первых, создание новых экспериментальных установок стало для университетских бюджетов слишком дорогим делом, что привело к необходимости широкомасштабного участия государства в субсидировании научных программ. Во-вторых, правительства осознали необходимость поддержки научных исследований в собственных военных, экономических и политических целях. Это в особенности касается космических программ и исследований в области физики элементарных частиц, а также различных видов деятельности, связанных с решением энергетических проблем. В-третьих, коренным образом изменилось отношение деловых людей к науке: теперь большой бизнес во всем мире участвует в создании лабораторий, в которых проводятся серьезные исследования. Все предпринимавшиеся ранее попытки предсказать будущее науки кончались провалом, однако очевидно, что мы можем ожидать большого прогресса в указанных выше направлениях. Ясно также, что в будущем появятся совершенно новые направления исследований, которые сейчас невозможно предвидеть, как невозможно было предсказать сто лет назад появление ядерной физики. Подлинно всеобъемлющая физическая теория позволит рассматривать с единой точки зрения процессы, протекающие во всех масштабах от космического до субатомного. Ныне же, хотя нам известно многое, мы видим лишь интригующие фрагменты полной картины мира. Основные разделы физики и дополнительную рубрикацию ее частей см.:

Атома Строение;

Биофизика;

Электричество И Магнетизм;

Тяготение;

Теплота;

Механика;

Атомного Ядра Строение;

Оптика;

Ускоритель Частиц;

Детекторы Частиц;

Частицы Элементарные;

Квантовая Механика;

Относительность;

Физика Твердого Тела;

Звук И Акустика;

Термодинамика.

ЛИТЕРАТУРА

Льоцци М. История физики. М., 1970 Роджерс Э.М. Физика для любознательных, тт. 1-3. М., 1972, 1973 Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М., 1985