Физика и космология 4. 1. От механики к электродинамике и теории относительности

Физика (от греч. природа) по Аристотелю (384-322 до н. э.) - наука, исследующая чувственную субстанцию. Для чувственного мира характерны движение как актуализация того, что в потенции уже есть, и оформляющаяся материя. Естественное состояние тела - покой (неподвижный перводвигатель, неподвижная Земля в центре мира, одни и те же небеса). Тела движутся из-за силы или импульса, которые зависят от массы, поэтому тяжёлое падает быстрее. Пространства (пустоты) нет, время связано с движением и абсолютно, хотя и не существует без души. Физическая реальность разделена на подлунный (характеризуется всеми формами изменения) и надлунный (нет места ни рождению, ни гибели, ни изменению, ни возрастанию, ни убыванию) миры. Всё, что происходит - происходит потому, что есть потенциальная цель (Реале, Антисери 1994: 146-151).

Г.Галилей (1564-1642) считал, что научный метод состоит не в пассивном созерцании и умозрении, а в эксперименте и проверил правильность физических представлений Аристотеля. Оказалось, что тела падают с одинаковым ускорением, независимо от веса, Земля вращается и не является центром Вселенной, вращается и Солнце, но всякое движение относительно (Реале, Антисери 1996: 98-134). С открытиями Н. Коперника, Дж. Бруно, И. Кеплера, Г. Галилея и Ф. Бэкона стало утверждаться представление, что всё происходящее подчиняется единым естественным законам (каузальный взгляд, в отличие от целевого у Аристотеля) (Назаретян 1991: 28-29, Реале, Антисери 1996: 43-57, 66-98).

Завершает научную революцию И. Ньютон (1643-1727), с его системой мира обретает лицо классическая физика (Реале, Антисери 1996: 135-148). И. Ньютон исходил из двух принципов - природа проста и все явления можно объяснить едиными причинами. Всё сущее состоит из неделимых, твёрдых, непроницаемых корпускул. Тела двигаются согласно трём ясным, рациональным законам (Р=0 и а=0, Р=ша, Е+=Р-) и закону всеобщего тяготения (сила тяготения действует постоянно, на любых расстояниях (принцип дальнодействия) и зависит от массы). Законы вечные, всегда и везде обязательные. Система Ньютона рассматривалась как окончательная и завершённая. Объектом дискуссии стали лишь понятия Абсолютного пространства (существует наряду с вещами) и Абсолютного времени (протекает безотносигельно к чему-либо вне его). И. Кант (1724-1804), например, считал, что пространство и время не существуют вне нас, а являются априорными, субъективными формами существования вещей. Система определений и аксиом Ньютона в виде уравнений описывала неизменную структуру природы и имела силу независимо от пространства и времени. Физика в течение двух столетий развивалась в направлении применения механики И. Ньютона ко всё более широким областям опьгга (Гейзенберг 1989: 52- 53).

Первая трудность возникла при рассмотрении в работах М. Фарадея (1791-1867) и Дж. К Максвелла (1831-1879) электромагнитного поля. В механике Ньютона сила тяготения задана, её природа не объяснялась, в работах Фарадея и Максвелла силовое поле само стало объектом исследования, физики пьггались найти уравнение движения для поля, а не законы движения для тел. Силовые поля приобрели ту же самую степень реальности, что и тела в ньютоновской теории (Гейзенберг 1989: 53). Максвелл вскрыл и электромагнитную природу световых волн. Свет должен распространятся в лёгкой субстанции - эфире как звуковые волны в воздухе (в вакууме звук не проходит), то есть свет движется в среде, эфире, а поля - это деформации упругой среды, эфира. Но, движется ли эфир, и, если да, то как световая волна проходит в движущемся эфире? Попытки экспериментального обнаружения эфира Майкельсона, Морлея, Миллера (найти разные скорости света по движению эфира и против) дали отрицательный результат (Гейзенберг 1989: 65-66).

В 1905 году А. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности: постулаты - эфира нет, свет распространяется в пустом пространстве, электромагнитные поля реальны и могут существовать в пустом пространстве; скорость света предельна, не может быть достигнута материальным телом, постоянна для любых систем отсчёта. Следствия - эквивалентность массы и энергии (позже экспериментально подтвердилось рождение микрочастиц из энергии и "исчезновение" частиц в излучение), не может быть скорости выше скорости света, так как нужна бесконечно большая масса-энергия, и изменение представлений о пространстве и времени. Указания времени относительны и зависят от состояния движения тела отсчёта, относительно и понятие пространственного расстояния, мир является непрерывным чепарёхмерным единым пространственно-временным континуумом, время утрачивает самостоятельность (Эйнштейн 1965: 168-196, Гейзенберг 1989: 66-72).

Единая прежде физика распадается на четыре раздела: механика Ньютона (теория движения материальной точки, механика твёрдого тела, вращательное и колебательное движение, течение жидкостей, акустика, движение небесных тел), термодинамика (статистическая теория теплоты, законы сохранения энергии и возрастания энтропии), электродинамика и специальная теория относительности (электрические и магнитные явления, оптика) и квантовая теория - теория микромира (центральным понятием является функция вероятности, охватывает квантовую и волновую механику, теорию атомных спектров, кванговую химию) (Гейзенберг 1989: 56-57).

4.2.Основные этапы становления квантовой теории В классической физике все свойства непрерывны (не существует двух классических систем, которые были бы действительно одинаковы, из миллиардов планетарных систем звёзд не найдется и двух из них, совершенно одинаковых) и имеется неограниченное число вариантов. Поведение объектов зависит от начальных условий, которые могут принимать непрерывный ряд значений - нет прерывов, скачков (Вайскопф 1977: 46). С помощью идей непрерывности и неограниченности невозможно объяснить проблему излучения нагретых тел (проблему излучения абсолютно черного тела).

Любой кусок вещества, будучи нагрет, начинает светиться и при повышении температуры становится красным (излучение волнами), затем белым (излучение более короткой волны). Если излучение непрерывно и излучается энергия в виде волн всех частот, а разных частот бесконечно много, то энергия должна излучаться бесконечно (ультрафиолетовая катастрофа или проблема излучения абсолютно чёрного тела). Но в опыте так не бывает, ни одна звезда не излучает бесконечно.

В 1895 году этой проблемой стал заниматься М. Планк (1858-1947) и в 1900 году им была получена формула, в которой зависимость объёмной плотности излучения абсолютно чёрного тела от частоты излучения носила спектральный характер. Это означало, что энергия излучается порциями, дискретами, квантами (от лат. сколько). Излучение ограничено, так как излучается не волна (непрерывность), а порция, квант. Энергия одного кванта не может быть меньше 1~=6,62 10 " (энергия одного кванта=длина волны, умноженная на постоянную Планка-Ь). Планк на первый план выдвинул не проблему излучения, а проблему излучающего атома. Мысль о том, что энергия может испускаться и поглощаться лишь дискретными квантами энергии, была столь новой, что она выходила за традиционные рамки физики (Гейзенберг 1989: 9-10).

В 1905 году А. Эйнштейн с помощью гипотезы Планка решил проблемы фотоэффекта (выбивание из металла электронов под действием света) и удельной теплоёмкости твёрдых тел. Эйнштейн предположил, что свет состоит из световых квантов, корпускул, но на основе работ Максвелла и опытов Герца, свет может быть объяснён как распространение электромагнитных волн. Возникает карпускулярно-волновой дуализм. Результаты Эйнштейна были большим шагом вперёд на пути развития новой теории, они обнаружили планковскую постоянную действия в разных областях, не связанных с проблемой теплового излучения (Гейзенберг 1989: 11).

В 1911 году Э. Резерфорд (1871-1937) на основании наблюдений прохождения альфа-лучей через вещество предложил планетарную модель атома. Атом состоит из ядра, положительно заряженного и содержащего почти всю массу атома, и электронов, которые движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца. "имическая связь объясняется взаимодействием между внешними электронами соседних атомов. Но эта модель не могла объяснить одну из самых характерных черт атома, его удивительную устойчивость (планетная система после столкновения с другой подобной системой никогда не возвратится в своё исхОдное состояние, атом же углерода остаётся атомом углерода и после того, как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое соединение (Гейзенберг 1989: 11).

Объяснение этой необычной устойчивости было дано в 1913 году Нильсом Бором (1885-1962) путём применения квантовой гипотезы Планка к модели атома Резерфорда. Если атом может изменять свою энергию только прерывно, то атом существует лишь в дискретных стационарных состояниях, низшее из которых есть нормальное состояние атома. После любого взаимодействия атом возвращается в это нормальное состояние (там же: 11-12). По квантовой теории атома Н.Бора электрон не может спуститься ниже первой орбиты, переходит с орбиты на орбиту скачками и при этом атом излучает или поглащает энергию, изменения энергии дискретны (постулаты Бора). Теория Бора объяснила химические свойства атомов и их линейные спектры, которые стали источником информации при изучении микромира. Но оставались вопросы: что такое свет, частицы или волна?, как объяснить более сложные атомы?, как вед6т себя электрон в атоме? Всё отчётливее стали понимать, что попытка описать атомные процессы в понятиях обычной физики приводит к противоречиям (там же: 13).

В 1924 году Л. де Бройль (1875-1960) выдвинул гипотезу о волнах материи (через три года подтвердилась экспериментально) и попытался распространить корпускулярно-волновой дуализм на элементарные частицы. В 1926 году Э.»редингер (1887-1961) предложил непротиворечивый математический формализм, отказываясь от представлений о квантах и скачках, а электроны объяснял как трёхмерные волны материи. Осенью 1926 года начинается знаменитая дискуссия между Н. Бором, Э.»редингером, В. Гейзенбергом (1901-1976) и копенгагенской группой физиков, которая привела к непротиворечивой интерпретации квантовой теории (Гейзенберг 1989: 198-203).