Классическая физика: история развития и основные принципы

УРАЛЬСКИЙ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

АКАДЕМИИ ТРУДА И СОЦИАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ

ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Контрольная работа

на тему: «Классическая физика: история развития и основные принципы»

Выполнил

Слукин Евгений Владимирович

Группа ФЗ-103

Специальность Финансы и кредит

Серов

2010

Введение

Социально-экономические и политические условия развития науки в XIX веке в разных странах не были одинаковыми. И хотя эти условия не всегда благоприятствовали развитию науки, для XIX века в целом характерен бурный рост научных исследований и авторитет науки. Во Франции под влиянием технической революции развиваются преимущественно физико-математические и естественные науки, руководящим центром которых выступал Национальный институт. В силу технико-экономической отсталости Германии в ней не было столь же благоприятных, как во Франции, условий развития физико-математических и естественных наук - предпочтение отдавалось философии, богословию и классической филологии.

Успехи в области техники обусловили возрастание практицизма, что привело к принижению роли теоретических исследований и усилению роли прикладных. Особенностью науки в Англии было отсутствие таких центров, как Национальный институт во Франции и широкой сети университетов, как в Германии. Поэтому научные исследования чаще велись в одиночку, в изолированных друг от друга областях науки. Но это были блестящие исследования, результаты которых из-за отсутствия необходимых научно-исследовательских и учебных организаций нередко разрабатывались учеными других стран.

Целью данной контрольной работы является изучение истории развития и основных принципов классической физики. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Ш обобщить научную литературу по данному вопросу;

Ш рассмотреть основные принципы классической физики;

Ш обозначить Великие открытия в классической физике;

Ш проанализировать кризис в классической физике на рубеже веков

1. Основные принципы классической физики

1.1 Принципы термодинамики

В XVIII веке теплота представлялась в виде некоторой жидкости, общее количество которой остается в течение различных физических процессов неизменным. Для объяснения целого ряда явлений, и в особенности явления распространения тепла в материальных телах, эта гипотеза оказывалась вполне удовлетворительной. Изящная и классическая теория распространения тепла в пространстве, созданная Фурье, исходит из соотношения, которое выражает «закон сохранения теплоты». Но многочисленные явления, в которых теплота возникает в результате трения, с большим трудом объяснялись в рамках этой гипотезы, и мало-помалу физики от нее отказались и стали рассматривать теплоту не как некую вечную субстанцию, а просто как одну из форм энергии. Действительно, во всех происходящих вокруг нас чисто механических явлениях энергия сохраняется всегда, за исключением тех случаев, когда в результате трения происходит выделение тепла. Если рассматривать теплоту как одну из форм энергии, то можно выдвинуть некий общий принцип сохранения энергии. Мы не будем рассказывать здесь о том, как развивался этот принцип и как он был подтвержден измерениями механического эквивалента теплоты. Но, как известно, одного принципа сохранения энергии еще недостаточно для построения термодинамики. К нему необходимо добавить еще принцип Карно, или принцип возрастания энтропии. Впервые этот принцип был выдвинут в 1824 г. Сади Карно в заметках о тепловых машинах, где он указал на невозможность полного превращения тепла в работу. Эти соображения Карно легли в основу высказанного несколькими годами позже принципа, который остается справедливым и по настоящий день. Чтобы придать ему математическую форму, Клаузиус ввел понятие энтропии и показал, что энтропия изолированной системы может только возрастать.

На основе этих двух фундаментальных принципов была построена термодинамика - наука, позволившая объяснить и предсказать большое число явлений и играющая существенную роль в настоящее время, особенно в теории газов. Это абстрактная наука, оперирующая основном понятиями энергии, заключенной в телах, количествами совершаемой ими работы и тепла, которым они обмениваются. Она не пытается вникать в детальное описание элементарных процессов, а интересуется лишь общими характеристиками систем. Термодинамика оставляет чрезвычайно большую свободу для различных описаний элементарных процессов и устанавливает лишь общие закономерности, которым должны удовлетворять эти описания. Таким образом, не только классическая атомная физика, не учитывающая существования квантов, но и квантовая физика, базирующаяся на принципиально отличных концепциях, строятся в соответствии с законами термодинамики.

С точки зрения конструктивного развития современных теорий термодинамика может в каком-то смысле играть направляющую роль, ограничивая число приемлемых гипотез, но не указывая, конечно, тот или иной определенный путь развития. Точнее, поскольку термодинамика рассматривает лишь общие свойства систем, не вдаваясь в детали отдельных процессов, она не рискует впасть в ошибки, что часто угрожает более «смелым» теориям, претендующим на детальное описание процесса. И сорок лет назад, по мнению многих физиков, считалось предпочтительным использовать термодинамические методы, не вводя более детальных и более смелых концепций. Этот осторожный метод был назван энергетическим. Но если осторожность - мать безопасности, то судьба улыбается лишь отважным. И тогда как приверженцы энергетического метода топтались на одном месте, хотя и на твердой почве, сторонники более детального описания элементарных явлений, развивая атомистические и корпускулярные концепции, открывали новые неизведанные области.

Эти концепции получили столь многочисленные экспериментальные подтверждения и привели к открытию такого большого числа новых соотношений, о существовании которых «энергетика» не могла даже подозревать, что в Настоящее время старая «энергетическая» тактика уже давно оставлена.

1.2 Развитие представлений о пространстве и времени

Как и для античных исследователей мира, для представителей классической физики основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения.

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:

«Абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...».

Абсолютное пространство по своей сущности, не связано с объектами, помещенными в него, и безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. При таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов.

Этот взгляд близок к субстанциональному пониманию пространства и времени, хотя у Ньютона они и не являются настоящими субстанциями, как материя. Они обладают лишь одним признаком субстанции - абсолютной самостоятельностью существования и независимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают другим важным качеством субстанции - способностью порождать различные тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь за материей, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя - тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время и привел их в движение. Бог, являясь существом непространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени, Бог существует в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную мудрость и могущество, он создал мир из ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его существование прекратиться, а вместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная вездесущность. Подобные взгляды выражались еще Платоном, Аврелием, Августином, Фомой Аквинским и их последователями.

В этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержаться глубокие противоречия. Ведь однократный акт творения мира и обреченность его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществу, совершенству и мудрости Бога. Этим божественным атрибутам более соответствовало бы бесконечное множество актов творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в пространстве и времени. В каждом из них реализовывалась бы определенная идея, данная этому миру Богом, а все множество этих идей создавало бы бесконечное пространство и время. Подобные идей, высказанные в общем виде еще александрийским теологом Оригеном (III в. н.э.) и объявленные вскоре ересью, в Новое время развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленной гармонии в каждом из потенциально возможных миров. Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию как абсолютных и независящих ни от чего реальностей, подвластных только Богу.

Наряду с объективными представлениями о пространстве - времени существовали и идеалистические концепции (Беркли, Мах, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии Евклида в течение двух тысячелетий.

После выхода в свет «Начал» Ньютона физика начала активно развиваться, причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света вновь возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства.

Проблема пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие. Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физике, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

1.3 Теория электромагнитного поля

Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к Древней Греции. Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в XIII в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: эти и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.

Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. В 1821 г. Фарадей поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира.

Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Дело в том, что Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул.

Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла.

Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность - электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет - разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».

Развитие корпускулярно-континуальных представлений в трудах Максвелла. Развивая теорию электромагнитного поля, Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц». Это было сказано в 1873 г. задолго до открытия электрона. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.

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

2. Великие открытия классической физики

2.1 Механика Г. Галилея и начало критики аристотелевской физики

Если началом периода торжества нового, экспериментального подхода в естествознании принято считать гелиоцентрическую концепцию Коперника, учение об электричестве и Земле как о большом магните У. Гильберта (1600 г.) и открытие У. Гарвеем кровообращения (1628 г.), то завершением данного периода - утверждение коперниканской системы благодаря вкладу Г. Галилея.

Перед Галилеем встала задача обосновать концепцию Коперника физически. Использование телескопа позволило Галилею выявить несоответствие наблюдаемой картины аристотелевской концепции. Открытие спутников Юпитера позволило ему наглядно продемонстрировать модель коперниковской системы и утвердить преимущество наблюдения над умозрительными построениями.

Однако утверждения преимущества метода наблюдения над умозрительными аргументами для утверждения системы Коперника было недостаточно. Важно было объяснить, почему вращение Земли не сопровождается ураганным ветром, направленным в противоположную движению Земли сторону, а также почему подброшенные вверх тела не остаются позади. Для ответа на эти вопросы требовалось изучение свободного движения тел. Данная проблема имела важное и практическое движение, поскольку была связана с движением ядер при стрельбе из пушек и вообще движением метательных снарядов. Существовавшим теориям, объяснявшим это движение, недоставало математического обоснования. В «Диалогах о двух новых науках» Галилей дал математическое описание движения тел (работа была опубликована уже после осуждения Галилея за его «Диалог о двух главнейших системах мира»). Галилей, отбросил предшествующие воззрения на объяснение движения тел, обратился к эксперименту как методу исследования. Для проведения измерений падения тел он использовал маятник и наклонную плоскость, а также сбрасывание тел с Пизанской башни.

Аристотелевская физика признавала естественные и насильственные движения. Поскольку движение нашей планеты относилось к естественному виду движения, то выявилось противоречие между аристотелевским пониманием естественного движения как вызываемому стремлением тела занять свое «естественное место», с одной стороны, и движением планеты вокруг Солнца по замкнутым траекториям. Поэтому прежде всего было необходимо исследовать природу «естественного движения», т.е. падения тел. Галилей понял, что установить это можно лишь в эксперименте. Но необходимо было найти способ уменьшить скорость движения падающего тела без искажения условий свободного падения. Галилей использовал в этих целях движение по наклонной плоскости. Проведение многократных экспериментов с движением тел по наклонной плоскости, а также с помощью маятника позволило Галилею сформулировать закон: законы свободного падения и движения тел по наклонной плоскости и показать ошибочность представлений Аристотеля об естественном и насильственном падении. Аристотель утверждал, что движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие. Галилей установил, что если на тело не действуют никакие силы, то оно покоится или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, Галилей показал ошибочность представлений Аристотеля об естественном и насильственном движении.

Рассматривая движение тела по наклонной плоскости, Галилей делает важный шаг в выработке представлений об инерции - одной из важнейших идей механики. Хотя ему и не удалось дать полную и точную формулировку закона инерции, он выявил способность тел сохранять свою скорость. Использование закона инерции в своих экспериментах позволило Галилею сформулировать идею относительности движения и обосновать систему Коперника.

Математическое описание экспериментов, осуществленное Галилеем , имело для развития естествознания весьма важное значение. Соединение эксперимента и точного математического анализа дало возможность решить задачу свободного падения тел, показав, что в воздушном пространстве тела в падении двигались бы по параболической траектории. Этим был задан определенный образец метода физики, который во многом предопределил в последующем развитие физики. Галилей заложил основы современной механики.

2.2 Антиперипатетический характер экспериментальных физических концепций Нового времени

Галилей, подготовив почву для фундамента динамики, определил программу дальнейших исследований, но еще в общих чертах. Продолжателем его работ был Э. Торричелли. Он распространил идеи Галилея на теорию движения жидкостей и вывел формулу, с помощью которой определяется скорость вытекания жидкости из сосуда через отверстие в его стенке, заложив тем самым основы гидродинамики. Но главное его достижение - открытие атмосферного давления. Торричелли предположил, что воздух оказывает на нее определенное давление, которое и попытался измерить. С этой целью была использована закрытая с одного конца трубка, заполненная ртутью. Когда ее свободным концом опустили в воду, то уровень ртути в ней понизился, а над поверхностью ртути образовалась пустота. Происхождение этой «торричелевой пустоты» было объяснено следующим образом: давление на поверхность ртути в чашке уравновешивается весом столба ртути в трубке. Высота этого столба над уровнем моря составила 760 мм. Так был изобретен барометр.

Декарт предложил, а Б. Паскаль реализовал идею измерения атмосферного давления на различных высотах - в результате была установлена зависимость высоты ртутного столба от высоты места измерения и от состояния погоды. Это означало рождение научной метеорологии. О. Герике своими опытами с «магдебургскими полушариями» подтвердил существование атмосферного давления. Паскаль сформировал основной закон гидростатики; известный как закон Паскаля: давление на поверхность жидкости, производимое внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях. На нем основано действие гидравлического пресса. Паскалем был открыт также закон сообщающихся сосудов.

К успехам в развитии экспериментальной физики XVII века с полным основанием могут быть отнесены исследования в области электричества и магнетизма У.Гильберта. Предположив, что Земля является магнитом, он впервые объяснил поведение магнитной стрелки компаса влиянием его полюсов. Им было введено в физику понятия электричества (электрическими телами он назвал предметы, подобные янтарю, которые способны после натирания притягивать к себе легкие предметы), положив начало изучение электрических явлений.

Роберт Бойль опроверг мнение сторонников аристотельской физики о том, что в трубке Торричелли ртуть удерживается невидимыми нитями, установив в 1662г. один из газовых законов: произведение объема данной массы идеального газа на его давление постоянно при постоянной температуре (позже этот закон независимо от Бойля установил Мариотт, поэтому данный закон носит название закона Бойля-Мариотта).

Весьма значительная роль в развитии естествознании (и физики в частности) XVII века принадлежит Р.Декарту, высказавшему закон сохранения количества движения и давшему понятие импульса силы.

Декарт сформулировал три закона природы:

1. Всякая вещь находится в одном и том же состоянии, пока другие вещи не заставят ее изменить данное состояние.

2. Всякое движущееся тело стремиться продолжать свое движение по прямой.

3. Если движущееся тело встретит другое, сильнейшее тело, оно ничего не теряет в своем движении; если же оно встретит слабейшее, которое может подвинуть, оно теряет столько, сколько тому сообщает.

О. Герике создал первую электрическую машину в виде шара из серы, который вращался на железной оси, обнаружил явления электрического отталкивания и электрических разрядов. Х.Гюйгенс изобрел маятниковые часы со спусковым механизмом, манометр для измерения низких давлений установил законы колебания маятника, создал волновую теорию света, заложил основы теории удара. В «Трактате о свете» им сформулирован принцип распространения волны, известный как принцип Гюйгенса-Френеля, который гласит: каждая точка пространства, которой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн. На основе этого принципа были введены законы отражения и преломления света. Гюйгенс первый установил явление поляризации света. Им было установлено, что центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально радиусу окружности, что способствовало разработке ньютоновской теории движения тел.

2.3 Физическая концепция И. Ньютона как итог развития опытного естествознания

Основным достижением физических исследований XVII в., подводящим итог развитию опытного естествознания и окончательно сокрушившим перипатетическую физическую парадигму, явилось завершение создания общей системы механики, которая была в состоянии дать объяснение движению небесных светил на основе явлений, наблюдаемых на Земле. Развитие мореплавания обусловливало необходимость выработки более точных астрономических таблиц для целей навигации по сравнению с теми, которые требовались для астрологических целей. По сути своей это была задача определения абсолютного времени, дававшего при сравнении с местным временем интервал времени, который и можно было перевести в долготу. Решением этой проблемы занимались многие выдающиеся исследователи (Галилей, Кеплер, Декарт, Гук, Гюйгенс и др.), но решить ее удалось лишь Ньютону, который, благодаря открытию закона всемирного тяготения и трех основных законов механики, а также дифференциального и интегрального исчисления предал механике характер цельной научной теории. Кроме того, Ньютону принадлежит заслуга открытия дисперсии света, хроматической аберрации, исследования интерференции и дифракции, развития корпускулярной теории света и т.д. Его капитальный труд «Математические начала натуральной философии» обобщил не только собственные исследования автора, но и опыт предшественников. Теория движения планет и закон всемирного тяготения явились основой физического обоснования коперниковской гелиоцентрической системы мира.

Вклад, сделанный Ньютоном в развитие естествознания, заключался в том, что он дал математический метод обращения физических законов в количественно измеримые результаты, которые можно было подтвердить наблюдениями, и, наоборот, выводить физические законы на основе таких наблюдений.

Потребность в создании математики переменных величин (над созданием которой работали Кеплер, Галилей, Декарт и др.) была удовлетворена созданием дифференциального и интегрального исчисления. К его созданию пришли независимо друг от друга Ньютон и Лейбниц (вопрос о приоритете был предметом ожесточенного спора). Однако важно то, что Ньютон применил этот метод математического анализа для решения физических проблем. Данный метод стал средством понимания проблем переменных величин и движения, всех вопросов механической техники. С его помощью оказалось возможным определять положение тела в любое время, если известны отношения между этим положением и скоростью тела или величина ускорения в любое другое время. Иначе говоря, зная закон силы, можно вычислить траекторию движения тела.

Ньютон ввел понятие состояния системы. Первоначально оно было использовано для простейших механических систем. Состояние механической системы в классической механике полностью определяется импульсами и координатами всех тел, образующих данную систему. Если известны координаты и импульсы в данный момент времени, то можно однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени, а также вычислить значения других механических величин - энергии, момента количества движения и т.д.

Для утверждения своей концепции Ньютону было необходимо разрушить старую, аристотельскую картину мира. Вместо сфер, которой управлялись перводвигателем. он ввел механизм, действующий на основе естественного закона, не требовавшего постоянного использования силы и допускавшего божественное вмешательство лишь для своего создания и приведения в движение. Это был компромисс науки и религии. С представлением, в соответствии с которым для поддержания движения нужна сила, было покончено. Место статистического представления мира заняло динамическое его представление. Уступки религии в вопросе о первотолчке были, однако, связаны не только с социальными причинами, обусловливающими компромисс науки и религии, но и с характером его понимания природы, которую он считал неэволюционизирующей, инертной, косной субстанцией. Поскольку вечные законы природы дают возможность объяснять только повторяемость неизменных, неэволюционизирующих тел, то первый толчок был в такой картине мира просто необходим. Ньютон, как и Аристотель, понимали физику как общую теорию природы. Но если Ньютон теорию природы строил на математических и экспериментальных началах, то Аристотель исключал их из сферы познания. Экспериментально-математический метод познания открыл перед физикой и вообще перед естествознанием колоссальные перспективы. Ньютон, заложив основы теоретического фундамента классической физики, открыл путь к ее дальнейшему развитию.

Ньютон дал более общую формулировку закону инерции как первому закону движения: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Важно отметить, что недостатком данной формулировки закона являлось то, что в ней не содержалось указания на необходимость отнесения движения к инерциальной системе координат. Дело заключается в том, что Ньютон не пользовался понятием инерциальной системы координат - вместо этого он вводил понятие абсолютного пространства (однородного и неподвижного), с которым и связывал некую абсолютную систему координат, относительно которой и определялась скорость тел. Когда бессодержательность абсолютного пространства как абсолютной системы отсчета была выявлена, закон инерции стал формулироваться иначе: относительно инерциальной системы координат свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Второй закон механики гласит: произведение массы тела на его ускорение равно действующей силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы. Такова его современная формулировка. Ньютон сформулировал его иначе: изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. Т.е. Ньютон в формулировке второго закона оперирует понятием количества движения, понимаемым как мера движения, пропорциональная массе и скорости.

Третий закон Ньютона гласит: действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны. Иначе говоря, силы, с которыми действуют два тела друг на друга, равны по величине и направлены в противоположные стороны. Ньютон распространил действие этого закона на случай и столкновения тел, и на случай их взаимного притяжения.

Из трех фундаментальных законов движения Ньютона вытекают следствия, одно из которых - сложение количества движения по правилу параллелограмма. Если Декарт исходил из признания неизменности количества движения в мире, то Ньютон придерживался противоположного мнения.

Из законов Кеплера Ньютон вывел существование силы, направленной к Солнцу, которая была обратно пропорциональна квадрату расстояния планет от Солнца. Это означало физическое обоснование коперниканской гелиоцентрической системы. Обобщив идеи, высказанные Кеплером, Гюйгенсом, Декартом, Борелли, Гуком, Ньютон придал им точную форму математического закона, в соответствии с которым утверждалось существование в природе силы всемирного тяготения, обусловливающей притяжение тел. Сила тяготения (притяжения) прямо пропорциональна массе тяготеющих тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Данный закон описывает взаимодействие любых тел - важно лишь то, чтобы расстояние между телами было достаточно велико по сравнению с их размерами (это дает возможность принимать тела за материальные точки).

2.4 Корпускулярная и волновая концепции света

Во второй половине XVII века были заложены основы физической оптики. Ф. Гримальди открывает явление дифракции света (огибание светом препятствий т.е. отклонение его от прямолинейного распространения) и высказывает предположение о волновой природе света. В опубликованном в 1690 г. «Трактате о свете» Х.Гюйгенсом был сформирован принцип, согласно которому каждая точка пространства, которой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн, и на его основе вывел законы отражения и преломления света. Гюйгенсом было установлено явление поляризации света - явление, происходящее с лучом света при его отражении, преломлении (особенно при двойном преломлении) и заключающееся в том, что колебательное движение во всех точках луча происходит лишь в одной плоскости, проходящей через направление луча, тогда как в неполяризованном луче колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярно к лучу. Гюйгенс, разработав идею Гримальди о том, что свет распространяется не только прямолинейно с преломлением и отражением, а и с разбиением (дифракция), дал объяснение всем известным оптическим явлениям. Он утверждает, что световые волны распространяются в эфире, представляющем собой пронизывающую все тела тонкую материю.

2.5 Открытия в физике в первой половине XVIII века

На развитие физики XVIII в. существенное влияние оказало наследие предыдущего века, и особенно учение Ньютона.

Очень быстрыми темпами развивается механика. Исследование законов теплоты - одна из центральных тем физики XVII в. Термометрия, калориметрия, плавление, испарение, горение - все эти вопросы становятся особенно актуальными. Производятся серьезные исследования по теплофизике, электричеству и магнетизму. В меньшей мере развивается оптика. Но и здесь получены отдельные важные результаты: зарождается фотометрия, изучается люминесценция.

В 1729 г. англичанин С. Грей открыл явление электрической проводимости. Француз Ш.Ф. Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются».

Первая половина XIX в. - время бурного развития техники. Была изобретена паровая машина; открыта первая железная дорога. Начинается использование электричества для связи. В 1839 г. француз Л. Дагер получил первый фотографический снимок.

В первой половине XIX в. быстро развиваются все разделы физики, но особенно оптика, а также учение об электричестве и магнетизме, возникает новый быстро развивающийся раздел - учение об электромагнетизме. В этот период складываются основы волновой оптики, теории дифракции, интерференции и поляризации.

3. Кризис в классической физике на рубеже веков

Вторая половина XIX в. характеризуется быстрым развитием всех сложившихся ранее и возникновением новых разделов физики. Однако особенно быстро развиваются теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты развивается по двум направлениям. Во-первых, это развитие термодинамики, непосредственно связанной с теплотехникой. Во-вторых, развитие кинетической теории газов и теплоты, приведшее к возникновению нового раздела физики - статистической физики. Что касается электродинамики, то здесь важнейшими событиями явились: создание теории электромагнитного поля и возникновение нового раздела физики - теории электронов.

Величайшим достижение физики второй половины ХIХ века является создание теории электромагнитного поля. К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован целый ряд важных закономерностей. Так, были открыты важнейшие законы: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Полного теоретического единства во взглядах физиков на электрические и магнитные явления не было. Однако к середине XIX в. потребность в качественном совершенствовании теоретического базиса учений о об электрических и магнитных процессах стала совершенно очевидной. Появляются отдельные попытки создания единой теории электрических и магнитных явлений. Одна из них оказалась успешной. Это была теория электромагнитного поля Максвелла, которая произвела подлинный революционный переворот в физике.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1887 г. в опытах Г. Герца (1857-1894) произвело большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла получает признание подавляющего большинства ученых.

Во второй половине ХIХ века предпринимаются попытки придать понятию абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета новое научное содержание, очистив их от того метафизического смысла, который был придан им Ньютоном. В 1870 г. К. Нейман ввел понятие a -тела, как такого тела во Вселенной, которое является неподвижным и которое можно считать за начало абсолютной системы отсчета. Некоторые физики предлагали принять за тело такое тело, которое совпадает с центром тяжести всех тел во всей Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно считать находящимся в абсолютном покое.

Комплекс вопросов об абсолютном пространстве и абсолютном движении приобрел новый смысл в связи с развитием электронной теории и возникновением гипотезы об электромагнитной природе материи. Согласно электронной теории существует неподвижный всюду эфир и движущиеся в нем заряды. Неподвижный эфир заполняет все пространство и с ним можно связать систему отсчета, которая является инерциальной и, более того, выделенной из всех инерциальных систем отсчета. Движение относительно эфира можно рассматривать как абсолютное. Таким образом, на смену абсолютному пространству Ньютона пришел неподвижный эфир, который можно рассматривать как своего рода абсолютную и к тому же инерциальную систему отсчета.

Однако такая точка зрения уже с самого начала испытывала принципиальные затруднения. Об абсолютном движении тела, т. е. движении относительно эфира, можно говорить и представить, но определить это движение невозможно. Целый ряд опытов (Майкельсона и другие), поставленные с целью обнаружения такого движения, дали отрицательные результаты. Таким образом, хотя абсолютная система отсчета и была, как казалось, найдена, тем не менее она, как и абсолютное пространство Ньютона, оказалась ненаблюдаемой. Лоренц для объяснения результатов, полученных в этих опытах, вынужден был ввести специальные гипотезы, из которых следовало, что, несмотря на существование эфира, движение относительно него определить невозможно.

Однако вопреки таким мнениям все чаще и чаще высказывались соображения о том, что само понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения как движения относительно некоего абсолютного пространства лишено всякого научного содержания. Вместе с этим лишается содержания и понятие абсолютной системы отсчета и вводится более общее понятие инерциальной системы отсчета, не связанное с понятием абсолютного пространства. В результате понятие абсолютной системы координат становится бессодержательным. Иначе говоря, все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием каких-либо других тел, равноправны.

В 1886 г. Л. Ланге, проводя исторический анализ развития механики, и утверждая бессодержательность понятия абсолютного пространства, предложил определение инерциальной системе координат: инерциальные системы - это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу. Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея.

Преобразования Галилея в течение столетий считались само собой разумеющимися и не нуждающимися ни в каком обосновании. Но время показало, что это далеко не так.

В конце XIX в. с резкой критикой ньютоновского представления об абсолютном пространстве выступил немецкий физик, позитивист Э. Мах. В основе представлений Маха как физика лежало убеждение в том, что «движение может быть равномерным относительно другого движения. Вопрос, равномерно ли движение само по себе, не имеет никакого смысла». Это представление он переносит не только на скорость, но и на ускорение. В ньютоновской механике ускорение (в отличии от скорости) рассматривалось как абсолютная величина. Согласно классической механике, для того чтобы судить об ускорении, достаточно самого тела, испытывающего ускорения. Иначе говоря, ускорение - величина абсолютная и может рассматриваться относительно абсолютного пространства, а не относительно других тел. (Ньютон аргументировал это положение примером с вращающимся ведром, в котором налита вода. Этот опыт показывал, что относительное движение воды по отношению к ведру не вызывает центробежных сил и можно говорить о его вращении самом по себе, безотносительно к другим телам, т.е. остается лишь отношение к абсолютному пространству). Этот вывод и оспаривал Мах.

С точки зрения Маха всякое движение относительно пространства не имеет никакого смысла. О движении, по Маху, можно говорить только по отношению к телам. Поэтому все величины, определяющие состояние движения, являются относительными. Значит, и ускорение - также чисто относительная величина. К тому же опыт никогда не может дать сведений об абсолютном пространстве. Он обвинил Ньютона в отступлении от принципа, согласно которому в теорию должны вводиться только те величины, которые непосредственно выводятся из опыта.

Однако, несмотря на идеалистический подход к проблеме относительности движения, в соображениях Маха были некоторые интересные идеи, которые, способствовали появлению общей теории относительности. Речь идет о т.н. «принципе Маха». Мах выдвинул идею, согласно которой инерциальные силы следует рассматривать как действие общей массы Вселенной. Этот принцип впоследствии оказал значительное влияние на А. Эйнштейна. Рациональное зерно «принципа Маха» состояло в том, что свойства пространства-времени обусловлены гравитирующей материей. Но Мах не знал, в какой конкретной форме выражается эта обусловленность.

К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков и результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий. Так, английский математик Клиффорд в 1870-х годах высказал идею, что многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что кривизна пространства может изменяться со временем. Клиффорда принадлежит к числу немногочисленных в ХIХ веке провозвестников эйнштейновской теории гравитации.

Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые непосредственно привели к научной революции на рубеже ХIХ-ХХ веков. Важнейшие из них: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности, фотоэффекта и его законов и др.

В 1895 г. Вильгельм Рентген (1845-1923) открыл необычные лучи, которые впоследствии получили название рентгеновских. Открытие этих лучей заинтересовало физиков и буквально сразу вызвало чрезвычайно широкую дискуссию о природе этих лучей. В течение короткого времени были выяснены необычные свойства этих лучей: способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и др. Но природа самих лучей оставалась неясной. Рентген высказал гипотезу о том, что лучи представляют собой продольные электромагнитные волны. Существовала гипотеза о корпускулярной природе этих лучей. Однако все попытки обнаружить волновые свойства лучей Рентгена, например наблюдать их дифракцию, долгое время были безуспешными. (Только в 1925 г. немецкому физику Лауэ удалось обнаружить дифракцию рентгеновских лучей от кристаллической решетки).

Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей.

Важнейшим открытием в физике конца XIX в. было открытие радиоактивности, которое помимо своего общего принципиального значения сыграло важную роль в развитии представлений об электроне. Все началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

Мария Склодовская-Кюри (1867-1934), занявшись исследованием нового явления, пришла к выводу, что в урановых рудах присутствуют вещества, обладающие также свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри (1859 - 1906), удалось выделить из урановых руд новый элемент (1898), который обладал радиоактивностью гораздо большей, чем уран. Этот элемент был назван радием.

Исследованием вновь открытых явлений занялись многие физики. Нужно было определить природу радиоактивных лучей, а также какое влияние на радиоактивность оказывают физические условия, в которых находятся радиоактивные вещества, и т.д. Все эти вопросы начали проясняться в результате последующих исследований. В связи с изучением радиоактивных явлений перед физиками встало два главных вопроса.

Во-первых, это вопрос о природе радиоактивного излучения. Уже через короткое время после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название a -, b - и g -лучей. При этом оказалось, что a - и b -лучи являются потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц. Природа g - излучения была выяснена позже, хотя довольно рано высказывалось мнение, что оно представляет собой электромагнитное излучение.

Второй вопрос, возникший в связи с исследованием радиоактивного излучения, был более трудным и заключался в определении источника энергии, которую несут эти лучи. Что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, был неясен, как и вообще вопрос о механизме самого радиоактивного распада, а первые теории, возникшие для решения этого вопроса, нельзя было считать убедительными.

К великим открытиям второй половины ХIХ века должны быть отнесено создание периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом ряду и еще одно очень важное открытие - обнаружение того, что отношение заряда к массе для электрона не является постоянной величиной, а зависит от скорости.

Открытие зависимости массы электрона от скорости и объяснение этого факта наличием электромагнитной массы вызвали вопрос, обладает ли вообще электрон обычной массой, массой в смысле классической механики, массой в смысле Ньютона. Этот вопрос не мог быть решен.

Некоторым ученым начинает казаться что само развитие науки приводит к отказу от признания существования материи и справедливости общих важнейших физических законов. Открытие радиоактивности также приводит таких ученых в растерянность.

В таких условиях в физике складывается атмосфера разочарования в возможностях научного познания истины, начинается «брожение умов», распространяются идеи релятивизма и агностицизма. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX-ХХ вв., Пуанкаре назвал «кризисом физики». Признаки серьезного «кризиса физики» он в первую очередь связывал с возможностью отказа от фундаментальных принципов физического познания. «Принцип Лавуазье» (закон сохранения массы), «принцип Ньютона» (принцип равенства действия и противодействия, или закон сохранения количества движения), «принцип Майера» (закон сохранения энергии) - все эти фундаментальные принципы, которые долгое время считались незыблемыми, теперь подвергают сомнению.

На рубеже ХIX-ХХ вв. многие ученые, пытаясь осмыслить состояние физики, приходили к выводу о том, что само развитие науки показывает ее неспособность дать объективное представление о природе, что истины науки носят чисто относительный характер, не содержат в себе ничего абсолютного, что ни о какой объективной реальности, существующей независимо от сознания людей, не может быть и речи.