К О Н Ц Е П Ц И И Ф И З И К И ВВЕДЕНИЕ: Что изучает физика? Физика , греч ., наука о природе, то есть учение о законах явлений, происходящих в н еодушевленной природе без изменения состава тел, представляющих эти яв ления (в противоположность химии, изучающей изменения внутреннего сост ава тел и физиологии, рассматривающей явления органической жизни). Основ ой всякого изучения природы является наблюдение, то есть познание отдел ьных явлений в их закономерной последовательности. Физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности природы. Физику относят к точным нау кам. Ее понятия и законы составляют основу естествознания. Границы, разд еляющие физику и другие естественные науки, исторически условны. Принят о считать, что в своей основе физика является наукой экспериментальной, поскольку открытые ею законы основаны на установленных опытным путем д анных. Физические законы представляются в виде количественных соотнош ений, выраженных на языке математики. В целом физика разделяется на эксп ериментальную, имеющую дело с проведением экспериментов с целью устано вления новых фактов и проверки гипотез и известных физических законов, и теоретическую, ориентированную на формулировку физических законов, об ъяснение на основе этих законов природных явлений и предсказание новых явлений. Структура физики сложна. В нее включаются различные дисциплины или разделы. В зависимости от изучаемых объектов выделяют физику элементарных частиц, физику ядра , физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику плазмы, физику твердого тела. В зависимости от изучаемых процессов или форм движения ма терии выделяют механику материальных точек и твердых тел, механику спло шных сред (включая акустику), термодинамику и статистическую механику, э лектродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. В зависимости от ориентированности на потребите ля получаемого знания выделяют фундаментальную и прикладную физику. Пр инято выделять также учение о колебаниях и волнах, рассматривающее меха нические, акустические, электрические и оптические колебания и волны по д единым углом зрения. В основе физики лежат фундаментальные физические принципы и теории, которые охватывают все разделы физики и наиболее полн о отражают суть физических явлений и процессов действительности. ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ От ранних цивилизаций, возникших на бере гах Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких св идетельств о достижениях в области физических знаний, за исключением ов еществленных в архитектурных сооружениях, бытовых и т.п. изделиях знаний . Возводя различного рода сооружения и изготавливая предметы быта, оружи я и т.д., люди использовали определенные результаты многочисленных физич еских наблюдений, технических опытов, их обобщений. Можно сказать, что су ществовали определенные эмпирические физические знания, но не было сис темы физических знаний. Физические представления в Древнем Китае появились также на основе раз личного рода технической деятельности, в процессе которой вырабатывал ись разнообразные технологические рецепты. Естественно, что прежде все го вырабатывались механические представления. Так, китайцы имели предс тавления о силе ( то, что заставляет двигаться), противодействии, (то, что ос танавливает движение), рычаге, блоке, сравнении весов (сопоставлении с эт алоном). В области оптики китайцы имели представление об образовании обр атного изображения в "camera obscura". Уже в шестом веке до н.э. они знали явления магн етизма - притяжения железа магнитом, на основе чего был создан компас. В о бласти акустики им были известны законы гармонии, явления резонанса. Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретического объ яснения. В Древней Индии основу натурфилософских представлений составляют учен ие о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном строении вещества. Были разработаны своеобразные пр едставления о таких свойствах материи, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость и т.д., о движении и вызывающих его причинах. К VI в. до н.э. эмпиричес кие физические представления в некоторых областях обнаруживают тенден цию перехода в своеобразные теоретические построения (в оптике, акустик е). ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦ ЕПЦИИ ЭПОХИ АНТИЧНОСТИ 1. Специфика первых систем теоретического физического знания В свете современ ных историко-научных исследований считается, что основы теоретическог о физического знания закладывались в эпоху античности в Древней Греции и других странах Средиземноморья. Государственное устройство типа раб овладельческой демократии, относительная терпимость к выбору религиоз ных верований позволяли обсуждать проблемы естествознания и осуществл ять разграничение науки и религии при решении этих проблем. Это способст вовало появлению сначала различных натурфилософских концепций на осно ве наблюдений и экспериментов, затем разработке теоретических физичес ких концепций. В силу низкого уровня развития техники, существовавшей н едооценки количественных расчетов и отстраненности потребностей рабо владельческого производства от достижений науки, эксперимент в эпоху а нтичности не стал ни методом сисетематической проверки получаемых зна ний, ни основным источником эмпирических знаний. Но постепенно на смену мифологическим объяснениям явлений действительности стали приходить попытки их научного обоснования. Основной вопрос, занимавший мыслителей в это время был вопрос о соотноше нии единого и многого ( иначе говоря, из какого начала образовалось окруж ающее нас множество вещей). Фалес, высказавший мысль о том, что все вещи произошли из воды, по сути про извел революционный переворот в мировоззрении, означавший отказ от миф ологического объяснения явлений действительности в пользу представле ний о них как превращении веществ. Значение этого переворота в культуре общества трудно переоценить, ибо по сути своей современные представлен ия о действительности укладываются в эту парадигму (разумеется в конкре тизированном виде). Вслед за Фалесом по этому пути пошли Гераклит, высказ авший идею об огне, как первооснове всего существующего, Анаксимандр - ап ейроне, Анаксагор - гомеомериях, Анаксимен - воздухе. Эмпедокл - четырех ст ихиях (огне, воздухе, воде и земле). Таким образом, ионийские натурфилософс кие концепции утверждали идею о действительности как непрерывном проц ессе преобразования материальных элементов (газообразных, жидких, твер дых). Картина мира, построенная на основе данных концепций, не нуждалась в бож ественном вмешательстве, но ее слабостью был чисто описательный характ ер, не допускавший количественных изменений. Данная картина была дополн ена Пифагором, внесшим идею объяснения явлений реальности на основе мат ематической закономерности. Но в области физических явлений опытное по знание подменялось мистикой чисел. Идеалом познания пифагорийцев было пассивное созерцание, а не активный эксперимент. Вместе с тем для развит ия физических концепций была важна установленная пифагорейцами возмож ность операций с физическими величинами сведением их к мере и числу, что расширяло возможности человека в преобразовании природы. Таким образо м, несомненно укреплялась идея о естественном характере развития дейст вительности, которая приобретала все более конкретные очертания и выли лась в атомистическую концепцию, сыгравшую огромную роль в развитии нау ки. 2. Концепция атом истики Предшествующие к онцепции не допускали существования пустоты. А раз в мире все заполнено, то движение невозможно - данный принцип утверждался Парменидом и обосно вывался Законом Элейским (5 в. до н.э.). Атомистическая концепция, начало кот орой было положено Левкиппом и Демокритом, исходила из признания пустот ы и движущихся в ней атомов - бесчисленных неделимых частиц (отличающихс я друг от друга величиной и формой), различные сочетания которых образую т множество окружающих вещей. Кроме признания пустоты для атомистическ ой концепции характерно также признание принципов сохранения материи ( ничто не может возникнуть из ничего) и сохранения форм материи (природа в се разлагает на тела и в ничто ничего не переводит, т.е. в природе повторяю тся постоянно одни и те же формы материи). Наличие пустоты (вакуума) было н еобходимо для существования движения, ибо в заполненном мире вещам двиг аться некуда. Эпикур, в отличие от Демокрита, исходившего из господства н еобходимости в мире атомов, привнес в атомистику идею случайного отклон ения атомов от закономерных траекторий, благодаря чему они могут сталки ваться и образовывать тела. Поскольку в объяснениях Демокрита и Эпикура отсутствуют представления о взаимном притяжении атомов, то соединение их в целостность при образовании вещей обусловливалось наличием у атом ов крючочков. Лукреций Кар (1 в до н.э.) избирательность атомов при объедине нии в тела объяснялось на основе принципа "подобный стремится к подобном у". В поэме "О природе вещей" Лукреций в поэтической форме изложил основные положения атомистической концепции. Важной является идея об обмене тел своими "истечениями" - своеобразном прообразе дальнодействующих силах п ритяжения. Идея атомистики оказалась столь плодотворной, что просущест вовала до настоящего времени. Концепция атомистики в период античности не могла опираться на экспери ментальное доказательство существование атомов. Она опиралась на факт ы наблюдения типа "ступени дворцов постепенно стираются", "запахи перено сятся", "вблизи моря одежда увлажняется" и т.д., что позволило предположить существование невидимых частиц, из которых состоит все многообразие ве щей. 3. Физическое уче ние Платона Своеобразное физ ическое учение изложено Платоном в диалоге "Тимей". Заимствовав у своих п редшественников представление о четырех видах материи (земле, воде, возд ухе и огне), он изображает их взаимопревращаемыми. Эти виды материи являю тся проявлением первичной материи. Частицы (своего рода молекулы) разных видов материи различаются геометрической фигурой и размерами. Платон, о пираясь на разработанную Теэтетом геометрию правильных многограннико в, объяснял свойство видов материи - твердость, плавкость, воздухообразн ость, огнеобразность - геометрией многогранников. Из пяти видов правильн ых многогранников только у тетраэдра, октаэдра и икосаэдра все грани оди наковые - они представляют собой равносторонние треугольники, каждый из которых может быть разбит на шесть прямоугольных равнобедренных треуг ольников. У додекаэдра пятиугольные грани на одинаковые треугольники н е разделяются. Куб и додекаэдр не могут превращаться в такие фигуры, в том числе и друг в друга. Поскольку из существующих видов материи самым усто йчивым и наименьше подвижным является Земля, то ей соответствует четыре хугольная плоскость куба как наиболее обеспечивающая эту устойчивость . Свойство других видов материи обеспечиваются соответствующими много гранниками. 4. Аристотельска я физика Физическое учение Аристотеля отличалось от соответствующих Дем окрита и Платона своей "антиатомистичностью" . Считая опыт источником зн аний, Аристотель выступал в своей "Физике" против истолкования чувственн о воспринимаемых тел на основе недоступных наблюдению атомов. Отвергае т он и существование пустоты. Опыт свидетельствует о том, что чем плотнее среда, тем больше она оказывает сопротивление движению. В бесконечно раз реженном пространстве сопротивления движению нет, поэтому движение те л было бы в нем бесконечным, что невозможно. Физический мир Аристотеля ба зируется на принципе естественности: каждое тело знает свое место. Естес твенное движение возникает тогда, когда тело стремится занять свое есте ственное место (падающий камень стремится вниз, к земле, искры летят ввер х, к небесным огням и т.д.). Т.е. все тела в силу тяжести или легкости стремятс я к центру мира либо от него. Так, в воздухе дерево стремится к центру, а в во де - от него. В остальных случаях, когда нет естественных причин движения, оно может осуществляться лишь насильственно, т.е. под действием внешних сил. Таким образом, естественное движение возможно под действием тяжест и, во всех остальных случаях - под действием силы. Живые существа в своем д вижении реализуют свое естественное предназначение (птицы летают, рыбы плавают и т.д.). Для объяснения всего существующего Аристотель использовал четыре типа начал (причин): материальную причину (материю - то, из чего что-либо возника ет); формальную причину (форму - то, что в пассивной материи существует как возможность, превращает в действительность), движущую причину (действие - то, что движет), целевую причину (цель - то, ради чего что-либо осуществляет ся). Материальная причина была выделена представителями милетской школ ы (Фалесом, Гераклитом и др.), Формальная причина - Платоном, движущей причи ной занимались Анаксагор и Эмпедокл (у первого действие вызывалось Нусо м, у второго - враждой и дружбой). Родоначальником целевой причины Аристот ель считал себя. По словам Д.Бернала, "эта теория была бичом для науки в сил у того, что она обеспечивала легкий способ объяснения любого явления с п омощью постулирования соответствующей цели для него, не стараясь выяви ть то, как оно действует". Источником всякого движения Аристотель считал неподв ижный перводвигатель (бога) или первоформу (являющуюся, по сути, планом ми ра). Движение понималось Аристотелем как переход чего-либо из возможност и в действительность, при этом он различал такие роды движения, как качес твенное (изменение), количественное (увеличение и уменьшение), перемещен ие (движение в пространстве), возникновение и уничтожение. Для Аристотел я окружающий мир состоял из чувственно воспринимаемых взаимопревращаю щихся элементарных качеств - теплое, холодное, влажное и сухое, которые об разуют основные элементы мира: землю (холодную и сухую), воду (холодную и в лажную), воздух (теплый и влажный), огонь (теплый и сухой). Подобное объяснен ие не свидетельствовало о сущностном понимании законов движения неоду шевленной материи, т.е. не вносило в познание мира собственно физическог о содержания. Поэтому физическую концепцию Аристотеля часто называют ф еноменологической. Отказавшись от атомистической концепции, Аристотел ь не мог объективно способствовать прогрессу в развитии этой плодотвор ной физической идеи. Но его несомненной заслугой было создание рационал ьной, всеобъемлющей, целостной, упорядоченной на основе его логики систе мы знаний, оказавшей огромное влияние на развитие арабской и европейско й средневековой мысли. 5. Статика и гидро статика Архимеда (III- II в. до н.э.) Эпоха эллинизма характеризовалась наибольшим вкладом в развити е физики со стороны механики. Потребности в создании различного рода тех нических устройств (строительных, военных и т.д.) выдвигали на первый план вопросы статики. Архимед, создав теорию рычага, заложил основы статики. С троительная и военная техника основывалась на рычаге, позволявшем пере мещать в пространстве тела большого веса при относительно небольших ус илиях. Проблема рычага явилась обобщением эмпирически освоенных прием ов его использования в разных областях деятельности. В своих трудах "О ра вновесии плоских тел и центрах тяжести плоских фигур" и не дошедшим до на с "О весах" Архимед изложил основные постулаты теории рычага: -Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивает тяжесть на большей длине. -Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-то прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит т а тяжесть, к которой было прибавлено. -Точно так же, если от одной из тяжестей будет отнято что-нибудь, то они не б удут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, от которой не было отнят о. -Если две величины уравновешиваются на каких-нибудь длинах, то на тех же с амых длинах будут уравновешиваться и равные им. Исходя из этих, многократно проверенных на практике, постулатов, Архимед формулирует закон рычага в виде следующих теорем: - Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, обратно пропорциона льных тяжестям. - Если величины несоизмеримы, то они точно так же уравновесятся на рычага х, которые обратно пропорциональны этим величинам. Дав определение центру тяжести тела как расположенной внутри его точки, при подвешивании за которую оно останется в покое и сохранит первоначал ьное положение, Архимед определил центры тяжести треугольника, паралле лограмма, трапеции и других фигур. Архимед явился также основоположником и гидростатики, законов плавающ их тел. Этому был посвящен его труд "О плавающих телах". Гидростатика испол ьзовалась при определении плотности тел путем взвешивания их в воде и пр и определении грузоподъемности корабля. Логическая схема обоснования законов гидростатики отличалась от схемы обоснования закона рычага. Вн ачале Архимед формулирует предположение о внутренней структуре жидкос ти, а затем формулирует ряд теоретических следствий, вытекающих из данно го предположения. Архимед исходит из того, что поверхность всякой неподв ижно установившейся жидкости будет иметь форму шара, центр которого сов падает с центром Земли, и что жидкость по своей природе такова, что из ее ч астиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, мен ее сдавленные выталкиваются более сдавленными и что каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидко сть не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается еще чем-то други м. Следствия из этой гипотезы, выводимые математически, таковы: - Тело, равнотяжелое с жидкостью, будучи опущено в эту жидкость, погружает ся так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости, и не б удет двигаться вниз. - Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погруж ается целиком и некоторая его часть остается над поверхностью жидкости. - Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружае тся настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела. - Тело, более легкое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость силою, будет вы талкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела. - Тело, более тяжелое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость, будет погруж аться, пока не дойдет до самого низа, и в жидкости станет легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела. В более кратком виде закон Архимеда формулируется в следующем виде: на в сякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направ ленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Данный закон оказалс я справедливым и для газа. Одним из первых случаев практического примен ения данного закона была проверка состава короны, изготовленной для сир акузского царя Гиерона. На основе того, что короной вытеснялось большее количество воды, чем золотым слитком Архимед установил, что корона состо ит не из чистого золота, а из сплава. 6. Оптика Евклида и Птолемея В эпоху античности в области оптики прежде всего необходимо отмет ить работу по геометрической оптике и перспективе. К их числу относятся " Оптика" и "Катоптрика" Евклида (III в. до н.э.). Евклид в области оптики опирался на разработанную атомистами концепцию зрительных лучей, согласно кото рой от вещей отделяются образы, вызывающие в глазу зрительные ощущения. Он геометрически вывел законы перспективы из четырнадцати исходных по ложений, которые были результатом оптических наблюдений. Наиболее важн ые из них: - Лучи, исходящие из глаза, распространяются прямолинейно и расходятся в бесконечность. - Фигура, охватываемая совокупностью зрительных лучей, есть конус, верши на которого расположена в глазу, а основание - на поверхности видимых пре дметов. - Видимы те предметы, на которые падают зрительные лучи, и невидимы те, на к оторые зрительные лучи не падают. - Предметы, видимые под большими углами, кажутся больше, видимые под меньш ими углами кажутся меньше, а видимые под равными углами кажутся одинаков ыми. - Предметы, видимые под большими углами. различаются более отчетливо. - Все лучи обладают одинаковой скоростью. - Луч есть прямая линия, средние участки которой соединяют концы. - Все, что видимо, видимо в прямолинейном направлении. Зрительные лучи рассматриваются как линии распространени я света. Евклидом впервые формулируется закон распространения света, яв ляющийся основой геометрической оптики. Архимед в концепцию "лучей зрен ия" ввел поправки, основанные на влиянии величины зрачка на результат из мерения. Герон Александрийский четко различает оптику (учение о видении , о природе света), диоптрику (учение о визировании, визирных инструментах ) и катоптрику (учение об отражении). Рассматривая отражение света от зерк ала он доказал, что при равенстве угла падения и угла отражения сумма дли н путей, которые проходит падающий луч от глаза до зеркала и отраженный л уч от зеркала до объекта, является наименьшим расстоянием из всех возмож ных. Наиболее полное исследование преломления света осуществлено Птолемее м в его "Оптике", где описаны результаты экспериментирования по преломле нию света в стекле и воде, сведенные в таблицы, которые были весьма точны д ля своего времени. Он стремился выявить причину того, что при отражении у глы падения и отражения равны, а при преломлении углы падения неравны уг лам преломления. Он посчитал угол преломления пропорциональным углу па дения. Закон преломления должен был еще ждать своего открытия Снеллиусо м в XVII веке. 7. Роль физически х концепций античности в развитии физики Оценивая значение физических концепций античности, важно иметь в виду, что не все из них дошло до нас. Но и дошедшее позволяет сделат ь вывод о том, что корни современной физики уходят в античную физику. Анти чные физические концепции содержали постановку многих фундаментальны х физических проблем. определивших содержание физических исследований на протяжении многих последующих столетий. Многие физические концепци и античности обнаружили свою "живучесть". Так, аристотельская физика сох раняла свое влияние до середины XVII века, физическое учение Платона - до сер едины XIX века, атомистическая концепция Демокрита и Эпикура - до XX века. При нято считать, что физика Нового времени в качестве своей значительной ча сти содержит фундаментально переработанные физические концепции анти чности. По поводу оценки уровня развития физического эксперимента во вр емена античности существуют разные точки зрения. Одна исходит из того, ч то этот уровень в целом был всегда невысок, другая, напротив, признает это т уровень весьма высоким, (соответствующим образцам эксперимента Новог о времени и ограниченного лишь возможностями античной техники), по утрач енным с крушением античной цивилизации. В последнем случае европейской науке уровень развития эксперимента пришлось восстанавливать заново. Отсюда следует, что роль теоретических. физических концепций и физическ ого эксперимента античности в развитии европейской науки различны. Во в сяком случае, совершенно очевидно, что в результате ударов варваров пост радали прежде всего те достижения античной культуры и науки, которые зав исели от "широкой материальной организации ". При оценке науки периода античности все же невозможно отвл ечься от того социокультурного контекста, в рамках которого она развива лась. Наука все-таки действительна развивалась преимущественно весьма состоятельными людьми, причем не для целей непосредственного практиче ского применения - рабовладельческий способ производства не мог не оказ ывать своего воздействия на характер науки. Но главное значение антично й культуры в том, что она несла саму идею естественных наук, которая переж ила время политического могущества античной цивилизации и которая ока зала мощнейшее влияние на характер развития европейской культуры. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ СРЕДНЕВЕКОВЬЯ 1. Социокультурн ые особенности развития науки в эпоху средневековья Внутренние (непроизводительный рабский труд, презрени е свободных граждан к труду, восстание рабов и т.д.) и внешние (нашествие варваров) причины привели к распаду Рим ское государство. Античная цивилизация погибла, многие культурные и нау чные достижения были утрачены. Организованной силой сохранилось христ ианская церковь, сумевшая быстро приспособиться к происшедшим изменен иям. Становление нового, феодального уклада во многом осуществлялось с о порой на христианство. Римская эпоха мало что дала теоретической науке, но она оставила богатый опыт в военном, техническом и административном д еле, который, на ряду с латинской грамотой, осваивался завоевателями. Пос тепенно создавались школы, колледжи, университеты, попавшие под влияние церкви. В монастырях оказались сосредоточенными труды древних авторов. Колледжи, монастыри и университеты превращались в центры новой западно европейской культуры. В это время на Ближнем Востоке на основе ислама бы ло создано на Аравийском полуострове сильное арабское государство, быс тро завоевавшее Иран, Египет, страны Среднего Востока, юг Пиринейского п олуострова. Поскольку основной задачей арабов было совершенствование военного дела, сбор даней и разнообразных податей, то производством, тор говлей занимались представители коренных народов. И хотя арабский язык стал государственным языком, завоеватели сохраняли культуру завоеванн ых народов. На арабский язык были переведены труды античных авторов. Ста ли создаваться университеты в Кордове (755 г.), Багдаде (795 г.), Каире (972 г.). Для срав нения образование университетов в Европе: в Монпелье (1180 г.) Винченце (1205 г.), А реццо (1215 г.), Падуе (1222 г.), Тулузе (1229 г.), Гренобле (1339 г.), Праге (1348 г.), Флоренции (1349 г.), Кра кове (1368 г.). Важно подчеркнуть, что влияние ислама в арабских университетах было слабее, чем христианства в западно-европейских университетах. Таки м образом, арабы в VII- XI вв. были звеном, связывающим восточную и западную кул ьтуру. Многие труды античных авторов на латинский язык переводились с ар абского языка. Тот факт, что в качестве языка культурного общения на Араб ском Востоке использовался живой разговорный язык, а не мертвый латинск ий (как в Европе), был важным культурным фактором. Кроме того, распростране ние среди арабов суфизма, обязывавшего мусульман исповедовать три обяз ательных догмата - веру в Аллаха, в его пророков и загробный суд, - давало бо льше свободы для решения проблем естествознания, благодаря чему на Араб ском Востоке могли развиваться научные представления, в основе которых лежало научное наследие античности. Начавшись с комментариев трудов ан тичных авторов (прежде всего в области механики и оптики), физические уче ния приобретали самостоятельный вид. Наиболее значительными фигурами среди арабских ученых были Ибн Сина, аль-Бируни и Ибн Рушд. 2. Основные физи ческие цели средневековья Аль-Бируни изобр ел "конический прибор", позволявший определять плотность металлов и друг их веществ, причем с весьма высокой точностью. (Вклад аль-Бируни в развити е астрономии описан в разделе "Концепции астрономии".) Ибн Рушд, известный в Европе под именем Аверроэс, дан комментарий к "Физик е" Аристотеля. В античной механике проблемы различия между кинематикой и динамикой не существовало. В античной механике математической формули ровки скорости движения не было, ибо само представление о возможности ко личественной оценки качественной определенности отсутствовало (Арист отель эти категории считал принципиально различными). Одни интерпретат оры Аристотеля полагали, что движение надо рассматривать лишь как чисто е перемещение . Ибн Рушд настаивал на необходимости описывать движение с учетом вызвавших его причин. В области физических учений Ибн Сины (980-1037), которого в Европе н азывали Авиценной, связано с проблемой движения брошенного тела. По данн ой проблеме он разработал собственную концепцию, суть которой заключае тся в признании того, что движимое получает склонность от движителя. По И бн Сине, существуют три вида склонностей: психическая (связанная с жизнь ю), естественная и противоестественная (насильственная). Естественная ск лонность присуща свободно падающим телам. Противоестественная склонно сть (или приложенная сила) присуща противоестественно движущимся телам, причем ее действие зависит о величины веса тела, которому она сообщена. И бн Сина утверждал, что противоестественная склонность ощущается как со противление насильственной попытке остановить естественное движение или перевести один вид противоестественного движения в другой. Если нас ильственное движение снаряда вызвано действующей в пустоте силе, то оно должно силой, то оно должно сохраняться, не уничтожаясь и не прерываясь. Е сли же сила существует в теле, то она должна либо оставаться в нем, либо ис чезнуть. Но если она остается, то движение будет продолжаться непрерывно . Признание действия зависимости противоестественной склонности от ве личины веса тела, которому она сообщена, было шагом к количественной оце нке склонности. Аристотелевские представления о роли воздуха в передач е движения Ибн Синой были отвергнуты. Таким образом, Ибн Сина полагал, что в теле может быть только одна "склонность". Веком позже аль- Баркат утвержд ал возможность одновременного существования в одном теле разных "склон ностей" - при свободном падении тяжелого тела источник естественной скло нности находится в самом теле и поэтому может непрерывно действовать, по ка тело не достигнет своего естественного места. В XIII веке к анализу данной проблемы обратился Фома Аквинский , который отрицал возможность передачи телу самостоятельной способнос ти движения. У. Окхэм проблему брошенного тела свел к чисто кинематическ ой задаче, снимая вопрос об источнике движения, а Ж.Буридан, выявив против оречия аристотельской трактовки проблемы, формирует физическое предст авление о зависимости напора от скорости перемещения и "количества мате рии", заключенного в движущемся теле, солидаризировавшись с концепцией аль-Барката. Достижения в области оптики эпохи средневековья связаны прежде всего с именами аль-Хайсама, известного в Европе как Альхазен. Он создал капитал ьный труд "Сокровище оптики", оказавший большое влияние на развитие этой области физики. Он впервые дал анатомическое описание глаза и разработа л концепцию, в соответствии с которой зрение вызывается лучами, приходящ ими в глаз от объектов, а изображение формируется внутри хрусталика преж де, чем достигнет оптического нерва. Рассматривая свет как поток частиц, Альхазен отражение света трактует как механическое явление. Установив, что нормаль к поверхности зеркала, падающий и отраженный лучи находятся в одной плоскости, он усовершенствовал формулировку закона отражения. В Западной Европе оптические исследования начинаются в XIII веке. Р.Гросетет разрабатывает геометрическую теорию происхождения радуги как эффекта преломления света в каплях воды и концепцию прямолинейного распростра нения света и звука на основе представления их как волн - отражение света рассматривалось по аналогии с эхом. Несомненным достижением было и изоб ретение в XIII веке очков, но оно не основывалось на каких-либо теоретически х разработках . К достижениям следует отнести и исследования магнетизма П. де Марикура (Перегрина), который высказал мысль о том, что стрелка компа са поворачивается не к Полярной звезде (как думали древние китайцы), а к по люсу. При оценке результатов развития физических представлений в эпоху сред невековья большинство историков науки исходит из того, что за это время ни в одной из областей физики не было разработано ни одной последователь ной физической теории, ни эффективных экспериментных методов. Теоретич еские построения отличались абстрактностью. Технические достижения не основывались на теоретических разработках, теория и практика разобщен ы. Новая физика существовала лишь в потенции - в отдельных, не всегда отчет ливых догадках, идеях. Но религиозные предрассудки (как христианства, та к и ислама) не дает возможности им раскрыться. Умственная деятельность о стается еще подчиненной религиозным догматам. В физике отсутствовали р азвитые количественные оценки. Однако развитие деловой жизни требовал о качественных расчетов все больше и больше. Феодальная система хозяйст ва обнаруживала признаки разложения. Зарождавшиеся новые экономически е отношения способствовали техническому прогрессу главным образом за счет рационализации труда. Медленное, но постепенно ускоряющееся разви тие техники и научных запросов готовил почву для возникновения новой об щественно-экономической формации. Можно сказать. что наука развивалась вслед за развитием зарождающегося капитализма, усиливая свое влияние н а этот процесс. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦ ЕПЦИИ ЭПОХИ ВОЗРОЖДЕНИЯ 1. Влияние потребностей практики и инженерии на развитие физики Развитие новых об щественных отношений в XV-XVI вв. сопровождалось усилением интереса к экспе риментальному и математическому естествознанию. Изменения в техническ их приемах опережало их теоретическое осмысление. В XVI веке изобретаются гидравлические насосы, плотины, пресс для чеканки монет, вязальная машин а и т.д. Эти технические изобретения демонстрировали, с одной стороны, рол ь инженерии, а с другой - ставили перед естествознанием новые проблемы, тр ебовавшие физического эксперимента (проблема трения в машинах, проблем а надежности инженерных сооружений и т.д.). Таким образом, материальные по требности капиталистического экономического развития вели к совершен ствованию технических приемов (в горном и военном деле, мореплавании и т. д.). Это обусловливало использование новых материалов и процессов, что, в с вою очередь ставило проблемы, которые существовавшая ранее наука разре шить не могла. Развивавшееся мореплавание раздвигало горизонт прежнег о опыта и усиливало потребность в его расширении и обогащении. Сочетание социально-экономических и технических факторов вызывало сдвиг в созна нии, усиливало потребность в выработке новой философии, отрицавшей роль авторитета (как религиозных доктрин, так и античных учений) и утверждавш ей приоритет научного доказательства. Под воздействием происходящих и зменений схоластика постепенно сдает свои позиции, идет процесс накопл ения знаний о свойствах реальных объектов. В рамках физического знания н аибольшее развитие получают механика и оптика. 2. Экспериментал ьные физические исследования Леонардо да Винчи Экспериментальные исследования данного времени в значительной мере связываются с именем Леонардо да Винчи. Исследователи его творчест ва полагают, что ничего существенно нового в развитие теоретической мех аники он не внес. Его сила заключалась в разнообразной экспериментально й деятельности. При этом важны оказывались не столько результаты экспер иментов, сколько сама нацеленность на эксперимент как главный источник знания и технику постановки эксперимента. Важные эксперименты были пос тавлены им по проблемам падения тел, влиянию движения тела на силу удара, испытанию на разрыв, трению тел. В области исследования трения между тве рдыми поверхностями ему принадлежит заслуга выведения из поставленных им экспериментов закона трения, гласившего: "Каждым тяжелым телом побеж дается сопротивление трения весу, равное четвертой части этого веса". От крытие этого закона было важным вкладом в развитие экспериментальной м еханики. Историки науки совершенно справедливо склонны важность откры тия этого закона усматривать прежде всего в том, что впервые закон был от крыт в результате физического эксперимента - и в этом смысле Леонардо зн ачительно опережал свое время не столько результатами исследования, ск олько пониманием задач, возникавших под влиянием бурного развития техн ики. Сама постановка подобных экспериментов, демонстрировавшая их огро мные возможности, стимулировала интерес к экспериментальной физике. Противопоставив схоластике опытное знание, Леонардо, таким образом, зал ожил основы экспериментального метода естествознания, открывающего ши рокие перспективы для использования математики. "Мудрость есть дело опы та" и “Нет достоверности в науках, не использующих математики" - эти провоз глашенные им принципы являются двумя сторонами его метода. И в этом смыс ле Леонардо справедливо рассматривается как предшественник современн ого естествознания. Использование своего метода позволило Леонардо сформулир овать важные положения. Аристотельская физика исходила из того, что движ ение для своего сохранения требует силы. Леонардо в противоположность э тому свидетельствует, что всякое движение стремится к своему сохранени ю, т.е. движущееся тело движется до тех пор, пока в нем сохраняется сила его движения. Это утверждение уже означало существенное продвижение в пони мании природы движения от аристотельских положений к открытию закона и нерции - Леонардо устанавливает факт существования инерции, инерционно го движения. Причиной движения является сила, причиной силы выступает дв ижение. Сила рождается при внезапном увеличении тела (так при выстреле и з пушки выталкивается ядро), а также путем скручивания и сгибания тел воп реки их естественному состоянию (на этом основано движение баллисты, лук а). По мнению академика С.И. Вавилова, Леонардо является зачинателем фотом етрии как точкой измерительной науки. Многочисленные опытные наблюден ия Леонардо имели принципиально важное значение для последующих теоре тических разработок (принцип суперпозиции, телескопический эффект и т.д .), но они не были использованы в полной мере его современниками. Тот факт, ч то его записи велись зашифрованным способом, а также то, что в рамках потр ебностей практики того времени многие его замыслы не могли быть реализо ваны, определили невостребованность его идей. Дж.Бернал охарактеризова л судьбу идей Леонардо: "Изучение бесчисленного множества механических аппаратов, предложенных и обрисованных Леонардо, начиная от прокатных с танов до подвижных землеройных машин, раскрывает другой аспект трагеди и его гения. Он мог изобретать машины чуть ли не для любой цели и рисовать их несравненно хорошо, однако почти ни одна из них и ни одна из наиболее ва жных не смогла бы работать, даже если бы он сумел найти достаточно денег, ч тобы их сделать. Без количественного знания статики и динамики, без испо льзования первичного двигателя вроде паровой машины инженер эпохи Воз рождения фактически не мог даже выйти за пределы, установленные традици онной практикой. Заслуга его заключается не столько в том, что он сделал д ля развития машин, сколько во внушении образованному миру идеи о том, что действия природы могут быть объяснены с помощью механики." 3. Влияние гелиоцентрической концепции Н. Коперника на развитие физики Исследования в области механики в эпоху Возрождения б ыли связаны прежде всего с астрономией. Дело в том, что невозможно развив ать механику без учета закономерностей движения небесных светил, посто янно повторявшихся веками в астрономических наблюдениях, и в том, что ра звивать астрономию вне механики движения этих небесных светил было нел ьзя. Именно астрономии было суждено осуществить переворот в античном ст иле мышления. И этот переворот был осуществлен Н. Коперником, поставивши м проблему соответствия между сущностью движения и его восприятием. В ос нову решения проблемы он проложил тезис, который в настоящее время назыв ают "принципом относительности восприятия". Суть его заключается в том, ч то всякое видимое изменение положения происходит вследствие движения либо наблюдаемого предмета, либо наблюдателя, или вследствие неодинако вого перемещения их обоих (поскольку при равном перемещении наблюдаемо го и наблюдателя в одну сторону движение будет незаметно). Описательная астрономия к этому времени накопила достаточно наблюдений и располага ла достаточно точными математическими методами, позволяющими проверят ь гипотезы с помощью вычислений. Основной замысел Коперника заключался в том, чтобы построить механичес кую модель Солнечной системы, согласующуюся с наблюдениями и дающую цел остное представление о Вселенной. Поскольку движение Земли на видимой к артине сферы неподвижных звезд никак не отражалось, Коперник представи л, что данная сфера по сравнению с размерами орбиты Земли бесконечно вел ика - Земля относится к Вселенной как атом к телу. Ситуацию с кажимостью вр ащения Вселенной вокруг Земли для наблюдателя, находящегося на Земле, он сравнивает с аналогичной ситуацией, когда наблюдателю, находящемуся на корабле, кажется, что он находится в состоянии покоя, а все находящиеся вн е корабля движется. Таким образом, критический дух, внесенный Коперником в астрономию, позво лил ему отвергнуть точку зрения здравого смысла но то, что казалось само собой разумеющимся, а именно тот факт, что Земля неподвижна, а вокруг нее д вижутся небесные светила. В его труде "Об обращении небесных сфер" высказ ана мысль о необходимости отличать гипотезы, отражающие подлинную дейс твительность, от ложных гипотез. Именно это позволило Копернику не тольк о обосновать гелиоцентрическую систему, но и научный метод построения и проверки гипотез. (Об астрономическом смысле системы Коперника см. разде л "Концепции астрономии"). Гелиоцентрическая концепция Коперника явилась важной научно-исследов ательской программой, поставившей целый ряд проблем. Прежде всего обнар ужилась необходимость проверить данную концепцию на предмет ее соотве тствия фактам, т.е. надо было установить соответствие результатов наблюд ения тем положениям, которые выдвигала концепция. Для этого надо было им еть усовершенствованную наблюдательную и вычислительную технику - ее н адо было создавать, ибо традиционные наблюдения невооруженным глазом с помощью визиров, угломеров невысокой точности и т.д. и обычная арифметич еская техника (без десятичных дробей и логарифмов) не соответствовали да нной задаче. Кроме того, необходимо было выявить физические причины движ ения небесных тел. Традиционная статика решение этой задачи не обеспечи вала, поэтому возникла потребность в развитии динамики и соответствующ его математического аппарата. Надо было также опровергнуть выдвигавши еся против гелиоцентрической концепции возражения, особенно возражени я против вращения Земли (в числе ее противников были Ф.Бекон, Тихо Браге). Н о прежде всего важно было обеспечить прочное вхождение данной концепци и в науку, чему сопротивлялась церковь. Этому в значительной мере способ ствовал Д.Бруно. В своих диалогах "Пир на пепле" и "О бесконечности Вселенн ой в мирах" средневековым представлениям о конечной Вселенной он против опоставил концепцию бесконечной Вселенной. Коперник придерживался аристотелевской концепции относительно отлич ия "естественного" движения Земли и насильственных" движений на ее повер хности. Бруно исходит из того, что не существует деления движений на "есте ственные" и "насильственные" - все находящиеся на Земле тела относятся к од ной механической системе, все они движутся вместе с Землей. В противном с лучае было бы невозможно, например, подпрыгнуть и после этого вернуться на прежнее место. Аристотелевские физические возражения против сущест вования пустоты также были отвергнуты Бруно - он исходил из того, что движ ение в бесконечном пустом космосе не имеет никаких препятствий. В силу б есконечности космоса, по Бруно, у него не может быть центра, центром может быть признана любая точка космоса. Заключая краткий обзор развития физических концепций эпохи Возрождени я, можно сказать, что в это время была сокрушена аристотелевская физичес кая картина мира, поставлена задача выработки отражающей реальные свой ства действительности физической концепции, а потребности техническог о прогресса привели к созданию основ физического эксперимента. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦ ЕПЦИИ XII - XVIII ВВ. 1. Особенности п ериода начала Нового времени С XVII века начинает ся Новое время. Философия Возрождения подготовила новый тип философств ования, отвергавший схоластику, теоцентристские построения, которые пе рестали удовлетворять требованиям объяснения новых социальных реалий. В XVII веке укрепился капиталистический способ производства. Развитие эко номики требовало расчетов национального дохода, индивидуальных доходо в, численности рождаемости и смертности и т.д. Предпринимательский расче т становится нормой повседневной жизни. Его основа - количественная оцен ка. Расчет, количественная оценка влияют на человеческие отношения, прон икают во все сферы человеческой практики. Университетская наука, увлеченная проблемами античности и занявшаяся отвлеченными от практических потребностей вопросами, оказалась своего рода "закрытой системой", изолировавшей себя от реальных потребностей о бщества. Поэтому развитие естествознания в это время осуществлялось пр еимущественно вне университетской науки. Особенность этого периода ха рактеризовалась следующим образом: "Неудовлетворенность технической и нтеллигенции состоянием университетской науки имела вполне реальные п рактические основания, - она была продиктована жизненно необходимой пот ребностью. Несмотря на то, что производство было в основном "мануфактурн ым", в практику строительного дела, транспорта, военного дела и некоторых видов производства вошли новые устройства, машины и приспособления. Раз работка технологических правил и новых конструкций опиралась, как и пре жде, на пробные производственные эксперименты. Но теперь они касались уж е не тех простейших машин, на которых строилась техника Средневековья, н апротив, эти опыты относились к целым узлам новых механических и гидравл ических устройств. Варьирование условий и анализ результатов пробного опыта стали гораздо более сложными, менее наглядными и труднее обозримы ми. Производственникам, инженерам, конструкторам требовались руководя щие научные указания, чтобы лучше и быстрее разобраться в результатах пр обных технических экспериментов. Но дальнейшее усовершенствование тех ники и повышение качества изделий упирались в главное противоречие эпо хи - противоречие между сравнительно высоким уровнем достигнутых к этом у времени технологических знаний и резким отставанием от них многих отр аслей естествознания и особенно физики". Несомненно, что возникновение интереса к опытному есте ствознанию во многом обязано Ф.Бэкону. Вместе с тем в условиях отставани я теоретического естествознания от практических успехов техники важно было научное обобщение результатов технического опыта. Прежде всего во зникла необходимость в усовершенствовании методов измерения и техноло гических приемов создания физических аппаратов. Накопленный опыт в маш иностроении имел важное значение и его можно было использовать. Ситуаци я же в области теоретической физики была иной. Физика в это время могла пр едлагать разного рода теоретические гипотезы качественного характера . Способы же формулировок теоретических задач в математической форме, по зволявшие осуществлять расчеты с научной степенью точности, отсутство вали. Качественные гипотезы не могли быть положены в основу технологиче ских процессов или конструктивных разработок. В этих условиях разрыв ме жду более высоким экспериментальным уровнем физики и более низким уров нем физических теорий мог быть ликвидирован с помощью экспериментальн ой науки. (Метод теоретической физики будет создан Ньютоном позже, в конц е XVII века). В этом русле и проявилась методология Бэкона, ориентировавшая н а постановку экспериментов, способствующих открытию новых законов. При нцип количественного измерения в экспериментальных исследованиях ста новится основой естествознания. Это находит свое выражение в изобретен ии разнообразных измерительных приборов - хронометров, биометров, термо метров, весов и т.д. Таким образом, вслед за машиностроительной отраслью в озникает приборостроительная. Потребности практики, увеличившиеся с с озданием торговых и промышленных компаний, ставят вопрос о необходимос ти повышения эффективности физических исследований. Для этого была важ на организационная и материальная поддержка науки. Создаются "Академия опыта" во Флоренции (1657 г.), Лондонское Королевское общество (1662 г.), Королевска я Академия наук в Париже (1666 г.), Берлинская академия (1672 г.). В этих условиях пот ребность в методе построения физических теорий стала ощущаться еще ост рее. Бэкон исходил из того, что критериями правильной физической теории должны выступать применимость теории на практике, а также способствова ние развитию самой науки, принижая при этом роль математики. Декарт, напр отив, образцом считает не экспериментальную физику с ее индуктивным мет одом, а математику. Критерием достоверности физической теории, но Декарт у, является его соответствие дедуктивно полученным выводам, ее внутренн яя логическая последовательность. Декарт полагал, что бог может осущест влять физическое явление бесчисленным количеством способов. Это обусл овило его представление о множестве вариантов теорий. (В этом русле им бы ла выдвинута произвольная теория вихрей, удерживающих планеты на своих орбитах - см. раздел "Концепции астрономии".) Важно отметить признание Декартом возможной неоднозначности физическ ой теории, что явилось следствием познания, каким способом бог реализова л данное физическое явление. Иначе говоря, соответствующая дедуктивным выводам теория оказывается лишь наиболее вероятной из числа возможных. Иную позицию занимал Ньютон. Для него было важно однозначно выяснить с п омощью экспериментов и наблюдений свойства изучаемого объекта и строи ть теорию на основе индукции без использования гипотез. Он исходил из то го, что в физике как экспериментальной науке места для гипотез нет. Призн авая небезупречность индуктивного метода, он считал его среди прочих на иболее предпочтительным. Общим для Декарта, Ньютона и других исследователей природы этого времен и было использование теологических аргументов. (Не случайно Ньютона ино гда называет не только первым ученым, но и последним богословом.) Задача е стествознания усматривалась в выявлении божественного плана творения природы. В этом заключалась специфика развития естествознания XVII века. По скольку физика XVII века по необходимости вступала в противоречие с церков ными догматами, церковь, отстаивавшая свою позицию различия небесной и з емной физики, не могла остаться к этому равнодушно. Галилей был подвергн ут церковным репрессиям за "Диалог о двух главнейших системах мира, птол емеевой и коперниковой", целью которых было стремление приостановить ра спространение коперниканских идей. Для Италии, выступавшей в числе лиде ров научного прогресса, это имело негативные последствия - развитие физи ческих идей было заторможено. В Англии ситуация сложилась иная. Р.Бойль о босновал концепцию, согласно которой естествознание выступает опорой религии, благодаря чему церковную реакцию удавалось сдержать. В целом же естествознание XVII века, отказавшееся от аристотелевских концепций, соче тает в себе опору на эксперимент, количественное измерение изучаемых яв лений с аргументами теологического характера. 2. Механика Г. Гали лея и начало критики аристотелевской физики Если началом пери ода торжества нового, экспериментального подхода в естествознании при нято считать гелиоцентрическую концепцию Коперника, учение об электри честве и Земле как о большом магните У. Гильберта (1600 г.) и открытие У.Гарвеем кровообращения (1628 г.), то завершением данного периода - утверждение коперн иканской системы благодаря вкладу Г.Галилея. Гелиоцентрической концеп ции Коперника понадобилось время для своего утверждения. Борьба за ее ут верждение для Бруно закончилась печально, да и одной демонстрации увере нности в ее истинности было мало - необходимы были более серьезные аргум енты. Дело в том, что в первоначальном виде гелиоцентрическая концепция Коперника не содержала точного описания орбит планет и убедительных ар гументов для объяснения невоспринимаемости органами чувств движения З емли. Первая задача была решена Тихо Браге и Иоганом Кеплером (см. раздел "Конце пции астрономии“), вторая, связанная с созданием динамики, - Галилео Галил еем. Непригодность аристотелевской парадигмы понимал уже Леонардо да В инчи, выступивший против учения о противоположности земного и небесног о. Но его работы остались не опубликованными. Д.Бруно сделал выводы филос офского характера из учения Н. Коперника, а И. Кеплер систему Коперника пр ивел в соответствие с новейшими астрономическими данными. Перед Галиле ем встала задача обосновать концепцию Коперника физически. Использова ние телескопа позволило Галилею выявить несоответствие наблюдаемой ка ртины аристотелевской концепции. Открытие спутников Юпитера позволило ему наглядно продемонстрировать модель коперниковской системы и утве рдить преимущество наблюдения над умозрительными построениями. Однако утверждения преимущества метода наблюдения над умозрительными аргументами для утверждения системы Коперника было недостаточно. Важн о было объяснить, почему вращение Земли не сопровождается ураганным вет ром, направленным в противоположную движению Земли сторону, а также поче му подброшенные вверх тела не остаются позади. Для ответа на эти вопросы требовалось изучение свободного движения тел. Данная проблема имела ва жное и практическое движение, поскольку была связана с движением ядер пр и стрельбе из пушек и вообще движением метательных снарядов. Существова вшим теориям, объяснявшим это движение, недоставало математического об основания . В "Диалогах о двух новых науках" Галилей дал математическое оп исание движения тел (работа была опубликована уже после осуждения Галил ея за его "Диалог о двух главнейших системах мира"). Галилей, отбросил пред шествующие воззрения на объяснение движения тел, обратился к экспериме нту как методу исследования. Для проведения измерений падения тел он исп ользовал маятник и наклонную плоскость, а также сбрасывание тел с Пизанс кой башни. Аристотелевская физика признавала естественные и насильственные движ ения. Поскольку движение нашей планеты относилось к естественному виду движения, то выявилось противоречие между аристотелевским пониманием естественного движения как вызываемому стремлением тела занять свое "е стественное место", с одной стороны, и движением планеты вокруг Солнца по замкнутым траекториям. Поэтому прежде всего было необходимо исследова ть природу "естественного движения", т.е. падения тел. Эта проблема исследо валась физиками и до Галилея, но никто из них не мог установить величину с корости падения тел в единицу времени. Галилей понял, что установить это можно лишь в эксперименте. Но необходимо было найти способ уменьшить ско рость движения падающего тела без искажения условий свободного падени я. Галилей использовал в этих целях движение по наклонной плоскости. Про ведение многократных экспериментов с движением тел по наклонной плоск ости, а также с помощью маятника позволило Галилею сформулировать закон : законы свободного падения и движения тел по наклонной плоскости и пока зать ошибочность представлений Аристотеля об естественном и насильств енном падении. Аристотель утверждал, что движущееся тело останавливает ся, если сила, его толкающая, прекращает свое действие. Галилей установил, что если на тело не действуют никакие силы, то оно покоится или движется р авномерно и прямолинейно. Таким образом, Галилей показал ошибочность пр едставлений Аристотеля об естественном и насильственном движении. Рассматривая движение тела по наклонной плоскости, Галилей делает важн ый шаг в выработке представлений об инерции - одной из важнейших идей мех аники. Хотя ему и не удалось дать полную и точную формулировку закона ине рции, он выявил способность тел сохранять свою скорость. Использование з акона инерции в своих экспериментах позволило Галилею сформулировать идею относительности движения и обосновать систему Коперника. Если бро сить с башни шар, то он вследствие силы инерции будет двигаться вместе с б ашней и упадет у ее подножия. При движении Земли нет вихря, т.к. атмосфера д вижется вместе с Землей. Отсюда следовало, что в механическом эксперимен те нельзя выявить, движется система равномерно и прямолинейно или покои тся - движения в той и другой системах осуществляются одинаково. Для обос нования динамики важнейшее значение имело установление независимости ускорения свободного падения от массы тела (Аристотель, как известно, сч итал, что скорость падения тела пропорциональна его массе). Если пренебр ечь сопротивлением воздуха, то, как выявил Галилей, скорость падения все х тел одинакова и пропорциональна времени падения, а пройденный в свобод ном падении телом путь пропорционален квадрату времени. Кроме законов р авноускоренного движения Галилей открыл и закон независимости скорост и падения от сообщенной телу при бросании горизонтальной скорости. Сила тяжести, действуя на находящееся в состоянии покоя тело, в первую секунд у падения тела придает ему скорость в 9, 8 м/с, в следующую секунду увеличит с корость на ту же величину - скорость падения пропорциональна времени пад ения. Математическое описание экспериментов, осуществленное Галилеем , имел о для развития естествознания весьма важное значение. Соединение экспе римента и точного математического анализа дало возможность решить зад ачу свободного падения тел, показав, что в воздушном пространстве тела в падении двигались бы по параболической траектории. Этим был задан опред еленный образец метода физики, который во многом предопределил в послед ующем развитие физики. Галилей заложил основы современной механики. Им б ыла четко выражена мысль, что единственными свойствами действительнос ти, которые можно описать математически, являются протяженность, положе ние и плотность. Эта мысль по сути своей была программой сведения экспер иментальных исследований к таким первичным качествам, как размер, форма , количество и движение. Для того, чтобы экспериментально-математический метод приобрел всеобщ ее призвание, Галилею необходимо было сокрушить учение Птолемея о систе ме небесных сфер и аристотелевскую физическую парадигму, господствова вшую почти два тысячелетия в качестве основы естествознания и общество знания. Именно эту задачу и преследовал его "Диалог о двух главнейших сис темах мира - птолемеевой и коперниковой“. Именно это и вызывало его конфл икт с церковью, поскольку новые идеи угрожали устоям церковного учения и общественного порядка. В основе конфликта лежало противоречие науки и д огм религии. Осуждение Галилея и его вынужденное согласие отказаться от своего учения привлекло внимание естествоиспытателей к осознанию сути конфликта и способствовало становлению новой экспериментальной науки и распространению коперниканского учения. Спустя всего менее полувека Ньютон в своей теории всемирного тяготения объединит законы, установле нные Кеплером и Галилеем. 3. Антиперипатетический характер экспериментальных физич еских концепций Нового времени Галилей, подготовив почву для фундамента динамики, определ ил программу дальнейших исследований, но еще в общих чертах. Продолжател ем его работ был Э.Торричелли. Он распространил идеи Галилея на теорию дв ижения жидкостей и вывел формулу, с помощью которой определяется скорос ть вытекания жидкости из сосуда через отверстие в его стенке, заложив те м самым основы гидродинамики. Но главное его достижение - открытие атмос ферного давления. Еще Галилей знал о наблюдениях флорентийских водопро водников, что вода поднимается не выше определенной высоты. Торричелли п редположил, что воздух оказывает на нее определенное давление, которое и попытался измерить. С этой целью была использована закрытая с одного ко нца трубка, заполненная ртутью. Когда ее свободным концом опустили в вод у, то уровень ртути в ней понизился, а над поверхностью ртути образовалас ь пустота. Происхождение этой "торричелевой пустоты" было объяснено след ующим образом: давление на поверхность ртути в чашке уравновешивается в есом столба ртути в трубке. Высота этого столба над уровнем моря состави ла 760 мм. Так был изобретен барометр. Так рухнула еще одна перипатетическа я догма - о "боязни пустоты". Декарт предложил, а Б.Паскаль реализовал идею и змерения атмосферного давления на различных высотах - в результате была установлена зависимость высоты ртутного столба от высоты места измере ния и от состояния погоды. Это означало рождение научной метеорологии. О. Герике своими опытами с "магдебургскими полушариями" подтвердил сущест вование атмосферного давления. Паскаль сформировал основной закон гид ростатики; известный как закон Паскаля: давление на поверхность жидкост и, производимое внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях. На нем основано действие гидравлического пресса. Паскале м был открыт также закон сообщающихся сосудов. К успехам в развитии экспериментальной физики XVII века с полным основание м могут быть отнесены исследования в области электричества и магнетизм а У.Гильберта. Предположив, что Земля является магнитом, он впервые объяс нил поведение магнитной стрелки компаса влиянием его полюсов. Им было вв едено в физику понятия электричества (электрическими телами он назвал п редметы, 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, ч то в трубке Торричелли ртуть удерживается невидимыми нитями, установив в 1662г. один из газовых законов: произведение объема данной массы идеально го газа на его давление постоянно при постоянной температуре (позже этот закон независимо от Бойля установил Мариотт, поэтому данный закон носит название закона Бойля-Мариотта). Бойль отверг перипатетическое предста вление о цвете как о специфическом качестве тела, объяснив его количеств ом отраженного света. О.Герике создал первую электрическую машину в виде шара из серы, который вращался на железной оси, обнаружил явления электр ического отталкивания и электрических разрядов. Х.Гюйгенс изобрел маят никовые часы со спусковым механизмом, манометр для измерения низких дав лений установил законы колебания маятника, создал волновую теорию свет а, заложил основы теории удара. В "Трактате о свете" им сформулирован принц ип распространения волны, известный как принцип Гюйгенса-Френеля, котор ый гласит: каждая точка пространства, которой достигла в данный момент р аспространяющаяся волна, становится источником элементарных сферичес ких волн. На основе этого принципа были введены законы отражения и прело мления света. Гюйгенс первый установил явление поляризации света. Им был о установлено, что центростремительное ускорение пропорционально квад рату скорости и обратно пропорционально радиусу окружности, что способ ствовало разработке ньютоновской теории движения тел. 4. Особенности ка ртезианской физики Весьма значитель ная роль в развитии естествознании (и физики в частности) XVII века принадле жит Р.Декарту, высказавшему закон сохранения количества движения и давш ему понятие импульса силы (см. также раздел "Концепции астрономии"- о теори и вихрей). Проблемы физики заняли значительное место в его "Началах филос офии". Поскольку опыт прямых нападок на религиозные догмы в это время был весьма печальным (сожжение Бруно и Сервета), Декарт постарался занять по зицию, позволявшую уклониться от конфликта с церковью и тем самым обеспе чить возможность развиваться науке в течение нескольких столетий. Он оч ень точно сформулировал деление Вселенной на физическую и моральную ча сти. Такое деление было следствием сведения им чувственного опыта к меха нике и геометрии. Вслед за Галилеем Декарт единственными физическими ре альностями считал протяженность и движение (понимаемое как механическ ое перемещение), которые рассматривал в качестве первичных качеств. Ко в торичным качествам он отнес цвет, вкус, запах. За их пределами находилась область страстей, воли, любви, веры. Физика занимается, главным образом, пе рвичными качествами, которые можно измерять. Вторичными качествами физ ика занимается в меньшей мере. Третьи же качества относятся к сфере откр овения, поэтому наука ими не занимается. Живой организм представлялся Де картом в виде машины, механизма, управляемым в соответствии с физическим и принципами, с одной стороны, и разумом, волей - с другой. Подобное разделе ние дало возможность ученым проводить исследования, не вмешиваться в де ла религии и, следовательно, не вступая в конфликт с церковью. Более того, система Декарта позволяла доказывать бытие бога не менее убедительно, ч ем предшествовавшие способы доказательства: его тезис "Я мыслю, следоват ельно существую" позволял сделать вывод о том, что раз люди могут предста вить себе существо более совершенное, чем они сами, то оно должно существ овать. Декарт сформулировал три закона природы: 1. Всякая вещь находится в одном и том же состоянии, пока другие вещи не зас тавят 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 тер яет в своем движении; если же оно встретит слабейшее, которое может подви нуть, оно теряет столько, сколько тому сообщает. Легко видеть, что данные законы по сути являются чисто экспериментальны ми. Система Декарта явилась смесью заключений, опирающихся на экспериме нт, с дедуктивными заключениями, основанными на совершенно ясных первон ачалах (чего требовал метод Декарта). Цели, к которым стремились Бекон и Де карт, были общими - сделать человека господином природы. И тот, и другой по дняли авторитет экспериментальной науки, вытеснившей схоластику. Дека рт утверждал, что в природе существует определенное количество движени я, которое никогда не возрастает и не убывает. Так как материя, в представл ениях Декарта, однородна и характеризуется только свойством протяженн ости, то понятие количества материи оказывается практически тождестве нным понятию объема тела. При анализе столкновений тел Декарт пользовал ся понятием силы, которая зависела от величины тела, в которое заключена, от скорости движения и способа столкновения тел. Здесь содержится форму лировка закона сохранения импульса и закона инерции, хотя понятие импул ьса еще довольно размыто и выступает как скалярная величина. Декарт, в от личие от Ньютона, говорит о состоянии вообще, а не о состоянии равномерно го и прямолинейного движения. Важно, что, по Декарту, инерция тела зависит от его скорости. Важно и то, что физика Декарта не признавала сил, действую щих через пустоту на расстоянии. В ней существовали лишь взаимодействия соприкасающихся тел. 5. Разработка осн ов классической физики а) Физическая концепция И. Ньютона как итог развития опытного есте ствознания Основным достижением физических исследований XVII в., подводящим итог разв итию опытного естествознания и окончательно сокрушившим перипатетиче скую физическую парадигму, явилось завершение создания общей системы м еханики. которая была в состоянии дать объяснение движению небесных све тил на основе явлений, наблюдаемых на Земле. И в эпоху античности, в XVII веке признавалась важность изучения движения небесных светил. Но если для др евних греков данная проблема имела больше философское значение, то для XVII века, преобладающим был аспект практический. Развитие мореплавания об условливало необходимость выработки более точных астрономических таб лиц для целей навигации по сравнению с теми, которые требовались для аст рологических целей. Основной задачей было определение долготы, столь ну жной астрономам и мореплавателям. Для решения этой важной практической проблемы и создавались первые государственные обсерватории (в 1672 г. Пари жская, в 1675 г. Гринвичская). По сути своей это была задача определения абсол ютного времени, дававшего при сравнении с местным временем интервал вре мени, который и можно было перевести в долготу. Определить это время можн о было с помощью наблюдения движений Луны среди звезд, т.е. часов, "закрепл енных на небе", а также с помощью точных часов, поставленных по абсолютном у времени и находящихся у наблюдателя. Для первого случая были необходим ы очень точные таблицы для предсказания положения небесных светил, а для второго - абсолютно точные и надежные часовые механизмы. Работы в этих на правлениях не были успешными. И хотя суд над Галилеем был "силовым аргуме нтом" в пользу аристотелевских представлений в области космологии, стре мление найти приемлемое физическое объяснение системы Коперника сохр анялось. Решением этой проблемы занимались многие выдающиеся исследов атели (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 и счисления предал механике характер цельной научной теории. Кроме того, Н ьютону принадлежит заслуга открытия дисперсии света, хроматической аб еррации, исследования интерференции и дифракции, развития корпускуляр ной теории света и т.д. Исследованию этих проблем посвящена его "Оптика". Е го капитальный труд "Математические начала натуральной философии" (опуб ликованный в 1687 г.) Обобщил не только собственные исследования автора, но и опыт предшественников. Теория движения планет и закон всемирного тягот ения явились основой физического обоснования коперниковской гелиоцен трической системы мира. Поиски ответа на вопрос, почему планеты движутся вокруг Солнца по эллипт ическим орбитам, вели многие исследователи. Поскольку планеты обращают ся по орбитам, то должна быть какая-то сила, удерживающая их. Но какая? Гиль берт высказал предположение, что такой силой мог быть магнетизм. Борелли полагал, что движение планет связано с необходимостью уравновесить цен тробежную силу другой силой, которую он назвал силой тяготения и действи е которой считал выходящим за пределы непосредственной близости Земли к Луне и Солнца к планетам. Гук предположил, что тяготение с расстоянием у меньшается. Декарт (теория тяготения которого была наиболее распростра ненной и которой вначале придерживался Ньютон) исходил из того, что тяже лые тела притягивались к своим центрам притяжения какой-то силой эфирны х вихрей. Все эти идеи важно было свести к математической формуле и прове рить наблюдениями. Гюйгенс, работая над часами с маятником, вывел закон о центробежной силе, установив ее прямую пропорциональность радиусу кру га, по которому движется тело, и обратную пропорциональность квадрату ск орости движущегося тела. Гук, Галилей и Рен установили, что для уравновеш ивания центробежной силы тяготения или центростремительная сила должн ы зависеть от радиуса, деленного на его куб. Оставались нерешенными две п роблемы. Первая - дать объяснение эллиптической форме орбит. Вторая - дать объяснение действию больших притягивающихся тел. Условия для решения этих проблем были готовы, но эти решения необходимо было найти. Вклад, сделанный Ньютоном в развитие естествознания, заключа лся в том, что он дал математический метод обращения физических законов в количественно измеримые результаты, которые можно было подтвердить н аблюдениями, и, наоборот, выводить физические законы на основе таких наб людений. Как он сам писал в предисловии к "Началам", "... сочинение это нами пр едлагается как математические основания физики. Вся трудность физики... состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а зате м по этим силам объяснить остальные явления... Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, рассуждая подобным же обр азом, ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусл овливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин , пока неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные ф игуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, до сих пор попытки философов объяснить явления природы и оставались бесплодными. Я надеюсь, однако, что или этому способу рассуж дения, или другому, более правильному, изложенные здесь основания достав ят некоторое освещение". Средством осуществления этой задачи было исчисление б есконечно малых. Потребность в создании математики переменных величин ( над созданием которой работали Кеплер, Галилей, Декарт и др.) была удовлет ворена созданием дифференциального и интегрального исчисления. К его с озданию пришли независимо друг от друга Ньютон и Лейбниц (вопрос о приор итете был предметом ожесточенного спора). Однако важно то, что Ньютон при менил этот метод математического анализа для решения физических пробл ем. Данный метод стал средством понимания проблем переменных величин и д вижения, всех вопросов механической техники. С его помощью оказалось воз можным определять положение тела в любое время, если известны отношения между этим положением и скоростью тела или величина ускорения в любое др угое время. Иначе говоря, зная закон силы, можно вычислить траекторию дви жения тела. Ньютон ввел понятие состояния системы. Первоначально оно было использо вано для простейших механических систем.(В дальнейшем понятие состояни е обнаружило свою фундаментальную роль и стало применяться в других физ ических концепциях в качестве одного из основных.) Состояние механическ ой системы в классической механике полностью определяется импульсами и координатами всех тел, образующих данную систему. Если известны коорди наты и импульсы в данный момент времени, то можно однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени, а так же вычислить значения других механических величин - энергии, момента кол ичества движения и т.д. (Для того, чтобы сделать "Начала" понятными возможн о большему числу читающих их, Ньютон изложил их на языке геометрии, перев од же на язык математического анализа был выполнен позже другими автора ми.) Для утверждения своей концепции Ньютону было необходимо разрушить ста рую, аристотельскую картину мира. Вместо сфер, которой управлялись перво двигателем. он ввел механизм, действующий на основе естественного закон а, не требовавшего постоянного использования силы и допускавшего божес твенное вмешательство лишь для своего создания и приведения в движение. Это был компромисс науки и религии. С представлением, в соответствии с ко торым для поддержания движения нужна сила, было покончено. Место статист ического представления мира заняло динамическое его представление. Ус тупки религии в вопросе о первотолчке были, однако, связаны не только с со циальными причинами, обусловливающими компромисс науки и религии, но и с характером его понимания природы, которую он считал неэволюционизирую щей, инертной, косной субстанцией. Поскольку вечные законы природы дают возможность объяснять только повторяемость неизменных, неэволюциониз ирующих тел, то первый толчок был в такой картине мира просто необходим. Н ьютон, как и Аристотель, понимали физику как общую теорию природы. Но если Ньютон теорию природы строил на математических и экспериментальных на чалах, то Аристотель исключал их из сферы познания. Экспериментально-мат ематический метод познания открыл перед физикой и вообще перед естеств ознанием колоссальные перспективы. Ньютон, заложив основы теоретическ ого фундамента классической физики, открыл путь к ее дальнейшему развит ию. б) Законы классической механики Если кинематика изучает движение геометрического объ екта (т.е. не обладающего никакими свойствами материального тела, кроме с войства занимать определенное место в пространстве и изменять это поло жение с течением времени), то динамика изучает движение реальных тел под действием приложенных к ним сил, т.е. под действием других тел. Установлен ные Ньютоном три закона механики лежат в основе динамики. Непосредствен но их можно применять к простейшему случаю движения, когда движущееся те ло рассматривается как материальная точка, т.е. когда размер и форма тела не учитывается и когда движение тела рассматривается как движение точк и, обладающей массой. В кипятке для описания движения точки можно выбрат ь любую систему координат, относительно которой определяются характер изующие это движение величины. За тело отсчета может быть принято любое тело, движущееся относительно других тел. В динамике имеют дело с инерци альными системами координат, характеризуемыми тем, что относительно ни х свободная материальная точка движется с постоянной скоростью. Инерци альной системой отсчета называют такую, в которой справедлив закон инер ции: материальная точка, на которую не действуют никакие силы, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Любая сист ема отсчета , движущаяся относительно инерциальной системы отсчета, буд ет также инерциальной. (Все инерциальные системы отсчета равноправны, т. е. во всех таких системах законы физики одинаковы.) Установить инерциальную систему координат с абсолютной точностью нево зможно, поскольку для этого надо найти тело, на которое не действуют друг ие тела. За таковую нельзя принимать не только системы, связанные с Земле й и Солнцем, но и даже с центром Галактики. Следовательно, понятие инерциа льной системы координат есть абстракция, которая используется (как и вся кое абстрактное понятие) в применении к физическим объектам с определен ной степенью точности. Закон инерции впервые был установлен Галилеем для случая горизонтальн ого движения: когда тело движется по горизонтальной плоскости, то его дв ижение является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоско сть простиралась в пространстве без конца. Ньютон дал более общую формул ировку закону инерции как первому закону движения: всякое тело пребывае т в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор , пока действующие на него силы не изменят это состояние. Важно отметить, ч то недостатком данной формулировки закона являлось то, что в ней не соде ржалось указания на необходимость отнесения движения к инерциальной с истеме координат. Дело заключается в том, что Ньютон не пользовался поня тием инерциальной системы координат - вместо этого он вводил понятие абс олютного пространства (однородного и неподвижного), с которым и связывал некую абсолютную систему координат, относительно которой и определяла сь скорость тел. Когда бессодержательность абсолютного пространства к ак абсолютной системы отсчета была выявлена, закон инерции стал формули роваться иначе: относительно инерциальной системы координат свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движе ния. Второй закон механики гласит: произведение массы тела на его ускорение р авно действующей силе, а направление ускорения совпадает с направление м силы. Такова его современная формулировка. Ньютон сформулировал его ин аче: изменение количества движения пропорционально приложенной действ ующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила де йствует. Т.е. Ньютон в формулировке второго закона оперирует понятием ко личества движения, понимаемым как мера движения, пропорциональная масс е и скорости. Количество движения - величина векторная (Ньютон учитывал н аправление движения при формулировании правила параллелограмма скоро стей).Но это понятие в истории науки не удержалось (и сейчас заменено поня тием импульса), поскольку было неясно, чем измерять движение. Декарт коли чество движения измерял произведением массы на скорость, Лейбниц - произ ведение массы на квадрат скорости (называя количество движения живой си лой). Между сторонниками первого и второго возникла дискуссия. Даламбер показал эквивалентность обеих мер измерения (если, например, тело тормоз ится под действием силы, то тормозящая сила определяется количеством дв ижения mv, если известно время торможения, и выводится из mv 2 / 2 , если извест ен путь торможения). Истинная суть обеих мер движения будет выяснена поз же, когда будет открыт закон сохранения энергии. Третий закон Ньютона гласит: действию всегда есть равное и противополож ное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между с обой равны и направлены в противоположные стороны. Иначе говоря, силы, с к оторыми 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, о дно из которых - сложение количества движения по правилу параллелограмм а. Если Декарт исходил из признания неизменности количества движения в м ире, то Ньютон придерживался противоположного мнения. Ускорение тела зависит от величин, характеризующих действие других тел на данное тело, а также от величин, определяющих особенности этого тела. М еханическое действие на тело со стороны других тел, которое изменяет ско рость движения данного тела, называют силой. Она может иметь разную прир оду (сила тяжести, сила упругости и т.д.).Изменение скорости движения тела зависит не от природы сил, а от их величины. Поскольку скорость и сила - век торы, то действие нескольких сил складывается по правилу параллелограм ма. Свойство тела, от которого зависит приобретаемое им ускорение, есть и нерция, измеряемая массой. В классической механике, имеющей дело со скор остями, значительно меньшими скорости света, масса является характерис тикой самого тела, не зависящей от того, движется оно или нет. Масса тела в классической механике не зависит и от взаимодействия тела с другими тел ами. Это свойство массы побудило Ньютона принять массу за меру материи и считать, что величина ее определяет количество материи в теле. Таким обр азом, масса стала пониматься как количество материи. (Впоследствии, с соз данием теории относительности, выяснится, что масса тела не является пос тоянной величиной, а зависит от скорости его движения, его энергии. Так, че м выше температура тела, тем больше его масса. Т.е. масса тела характеризуе т и состояние тела. Поэтому понятие количества материи из современного н аучного обихода исчезло как не имеющее смысла). Количество материи досту пно измерению, будучи пропорциональным весу тела. Вес - это сила, с которой тело действует на опору, препятствующую его свободному падению. (Числен о вес равен произведению массы тела на ускорение силы тяжести. Вследстви е сжатия Земли и ее суточного вращения вес тела изменяется с широтой и на экваторе на 0,5% меньше, чем на полюсах). Поскольку масса и вес строго пропорц иональны, оказалось возможным практическое измерение массы или количе ства материи. Понимание того, что вес является переменным воздействием н а тело, побудило Ньютона установить и внутреннюю характеристику тела - и нерцию, которую он рассматривал как присущую телу способность сохранят ь равномерное прямолинейное движение, пропорциональную массе. Массу ка к меру инерции можно измерять с помощью весов, как это делал Ньютон. В сост оянии невесомости массу можно измерять по инерции. Измерение по инерции является общим способом измерения массы. Но инерция и вес являются разли чными физическими понятиями. Их пропорциональность друг другу весьма у добна в практическом отношении - для измерения массы с помощью весов. Так им образом, установление понятий силы и массы, а также способа их измерен ия позволило Ньютону сформулировать второй закон механики. Итак, масса е сть одна из основных характеристик материи, определяющая ее инертные и г равитационные свойства - масса как мера инертности по отношению к действ ующей на него силе (масса покоя) и масса как источник поля тяготения эквив алентны. Первый и второй законы механики относятся соответственно к движению ма териальной точки или одного тела. При этом учитывается лишь действие дру гих тел на данное тело. Однако всякое действие есть взаимодействие. Поск ольку в механике действие характеризуется силой, то если одно тело дейст вует на другое с определенной силой, то второе действует на первое с той ж е силой. Третий закон механики и фиксирует это: действию всегда соответс твует равное и противоположно направленное противодействие; иначе: дей ствия двух тел друг на друга всегда равны по величине направлены в проти воположные стороны. (В формулировке закона под действием и противодейст вием понимаются действующие на тела силы). В формулировке Ньютона третий закон механики справедлив лишь для случая непосредственного взаимоде йствия сил или при мгновенной передаче действия одного тела на другое. В случае передачи действия за конечный промежуток времени данный закон п рименяется тогда, когда временем передачи действия можно пренебречь. Вообще законы классической механики Ньютона справедливы для случая ин ерциальных систем отсчета. В случае неинерциальных систем отсчета ситу ация иная. При ускоренном движении неинерциальной системы координат от носительно инерциальной системы первый закон Ньютона (закон инерции) в э той системе не имеет места - свободные тела в ней будут с течением времени менять свою скорость движения. В инерциальных системах отсчета второй з акон Ньютона можно сохранить, но для этого надо вводить силы инерции. В кл ассической механике эти силы имеют формальный характер, поскольку они в водятся лишь для удобства расчета движения тел в ускоренной системе отс чета. В рамках теории относительности силы инерции обладают свойствами силы тяготения - ускорение сил инерции, как и сил тяготения, не зависит от массы тел, т.е. они эквивалентны. Но поскольку силы тяготения имеют источн ик в виде масс , а силы инерции имеют другой характер, то в принципе можно о тличить силы инерции от сил тяготения. Поэтому о действии принципа эквив алентности можно говорить лишь локально. в) Ньютоновская концепция пространства и времени Как отмечалось выше , для построения механики необходимо было ввести пон ятие системы отсчета, ибо о движении можно говорить лишь тогда, когда ест ь система отсчета. Ньютон исходил из того, что природе присуща абсолютно неподвижная система отсчета в виде абсолютного (однородного и неподвиж ного) пространства, выступающего как вместилище всех тел, а также абсолю тное время, которое течет само по себе, безотносительности к каким-либо п роцессам (Ньютон назвал его длительностью). Таким образом, в концепции Нь ютона пространство и время оторваны от материальных тел и реальных проц ессов. Ньютоново пространство и время являются абсолютными и всеобщими - они не изменяются от того, что происходит в нем с материальными телами. Простра нство Ньютон рассматривал как независимую субстанцию. В определенных у словиях пространство может воздействовать на материю, но материя не мож ет воздействовать на пространство. Любой объект имеет в пространстве оп ределенное положение и ориентацию, расстояние между двумя событиями то чно определено. События, происходящие в разных точках в одно и то же время , одновременны. В пространстве нет каких-то меток. Положение объекта в пространстве можн о определить относительно другого объекта. С какой скоростью движется о бъект? Что такое покой? Ведь во Вселенной движется все. Движение можно ощу тить, если оно неравномерно. Движение с постоянной скоростью ощутить нев озможно. Если две системы двигаются равномерно, но с разными скоростями, то никакой опыт не в состоянии показать, что одна система покоится, а друг ая движется. Единственное, что можно сказать о них, - это то, что они находят ся относительно друг друга в состоянии равномерного движения. Т.о., все ра вномерные движения в механике Ньютона относительны. В противоположнос ть этому, ускоренные движения абсолютно. Скажем, стоит поезду замедлить ход, как вещи под влиянием силы инерции сдвинутся. Равномерное движение для Ньютона является естественным состоянием тел. Ускоренное же движен ие вызывается какими-то причинами, которые Ньютон назвал силами. Откуда берутся силы инерции? Ньютон приписывал их пространству, в котором проис ходит ускорение. Т.о., Ньютон может быть назван в понимании пространства и времени субстанциалистом. г) Закон всемирного тяготения Считается, что стержнем динамики Ньютона является поня тие силы, а основная задача динамики заключается в установлении закона и з данного движения и, обратно, в определении закона движения тел по данно й силе. Из законов Кеплера Ньютон вывел существование силы, направленной к Солнцу, которая была обратно пропорциональна квадрату расстояния пла нет от Солнца. Это означало физическое обоснование коперниканской гели оцентрической системы. Обобщив идеи, высказанные Кеплером, Гюйгенсом, Де картом, Борелли, Гуком, Ньютон придал им точную форму математического за кона, в соответствии с которым утверждалось существование в природе сил ы всемирного тяготения., обусловливающей притяжение тел. Сила тяготения (притяжения) прямо пропорциональна массе тяготеющих тел и обратно пропо рционально квадрату расстояния между ними. Данный закон описывает взаи модействие любых тел - важно лишь то, чтобы расстояние между телами было д остаточно велико по сравнению с их размерами (это дает возможность прини мать тела за материальные точки). В ньютоновской теории тяготения приним ается, что сила тяготения передается от одного тяготеющего тела к другом у мгновенно, при чем без посредства каких бы то ни было сред. (В рамках теор ии относительности для передачи силы тяготения от одного тела к другому требуется время - не большее, чем скорость света.) Закон всемирного тяготения вызвал продолжительные и яростные дискусси и. Это не было случайно, поскольку этот закон имел важное философское зна чение. Суть заключалась в том, что до Ньютона целью создания физических т еорий было выявление и представление механизма физических явлений во в сех его деталях. В тех случаях, когда это сделать не удавалось, выдвигался аргумент о так называемых "скрытых качествах", которые не поддаются дета льной интерпретации. Бэкон и Декарт ссылки на "скрытые качества" объявил и ненаучными. Декарт считал, что понять суть явления природы можно лишь в том случае, если его наглядно представить себе. Так, явления тяготения он представлял с помощью эфирных вихрей. В условиях широкого распростране ния подобных представлений закон всемирного тяготения Ньютона, несмот ря на то, что демонстрировал соответствие произведенных на его основе ас трономическим наблюдениям с небывалой ранее точностью, подвергался со мнению на том основании, что взаимное притяжение тел очень напоминало пе рипатетическое учение о "скрытых качествах". И хотя Ньютон отнюдь не пост улировал наличие тяготения, а установил факт его существования на основ е математического анализа и экспериментальных данных, математический анализ еще не вошел прочно в сознание исследователей в качестве достато чно надежного метода. Бернулли даже обвинял Ньютона в восстановлении пе рипатетизма. Ньютон не рассматривал вопросы о причинах тяготения. Но стр емление ограничивать физическое исследование фактами, не претендующим и на абсолютную истину, позволило Ньютону завершить формирование физик и как самостоятельной науки и отделить ее от натурфилософии с ее претенз иями на абсолютное знание. Ньютон соединил в себе два противоречивых принципа - Бэкона и Декарта. Он исходил из опыта ("гипотез я не измышляю"), с одной стороны. С другой - он был п риверженцем строгого математического доказательства. Ньютон не претен довал на объяснение глубочайших причин - он стремился к установлению при нципа: закон природы не является объяснением, исходящим из первоначальн о установленных причин. Закон - лишь краткая формулировка широкой област и явлений, выведенная при помощи логического заключения и математическ ого расчета. В законе всемирного тяготения наука получила образец закон а природы как абсолютно точного, повсюду применимого правила, без исключ ений, с точно определенными следствиями. Этот закон был включен Кантом в его философию, где природа представлялась царством необходимости в про тивоположность морали - царству свободы. Физическая концепция Ньютона была своеобразным венцом физики XVII века. Ст атический подход к Вселенной был заменен динамическим. Эксперементаль но-математический метод исследования, позволив решить многие проблемы физики XVII века, оказался пригодным для решения физических проблем еще в т ечение двух веков. Концепция Ньютона, хотя и содержала бога нам обеспечи вшего первотолчок, способствовала возрастанию скептического отношени я к авторитету и вере, чем ослабляла престиж религии. 6. Формирование м еханической картины мира Результатом развития классической механики явилось создание ед иной механической картины мира, в рамках которой все качественное много образие мира объяснялось различиями в движении тел, подчиняющемся зако нам ньютоновской механики. Согласно механической картине мира, если физ ическое явление мира можно было объяснить на основе законов механики, то такое объяснение признавалось научным. Механика Ньютона, таким образом , стала основой механической картины мира, господствовавшей вплоть до на учной революции на рубеже XIX и XX столетий. Механика Ньютона, в отличие от предшествующих механических концепций, д авало возможность решать задачу о любой стадии движения (как предшеству ющей, так и последующей) и в любой точке пространства при известных факта х, обусловливающих это движение, а также обратную задачу определения вел ичины и направления действия этих факторов в любой точке при известных о сновных элементах движения. Благодаря этому механика Ньютона могла исп ользоваться в качестве метода количественного анализа механического д вижения. Любые физические явления могли изучаться как движение в чисто ф еноменологическом плане, независимо от вызывающих их факторов. Законы н ьютоновской механики связывали силу не с движением, а с изменением движ ения. Это позволило отказаться от традиционных представлений о том, что для поддержания движения нужна сила, и отвести трению, которое делало си лу необходимой в действующих механизмах для поддержания движения, втор остепенную роль. Установив динамический взгляд на мир вместо традицион ного статического , Ньютон свою динамику сделал основой теоретической ф изики. Хотя Ньютон проявлял осторожность в механических истолкованиях природных явлений, тем не менее он считал желательным выведение из начал механики остальных явлений природы. Феноменологический метод стал рас сматриваться в качестве универсального способа построения физических теорий. Дальнейшее развитие физики стало осуществляться в направлении дальнейшей разработки аппарата механики применительно к решению конкр етных задач, по мере решения которых механическая картина мира укреплял ась. 7. Корпускулярна я и волновая концепции света Во второй полови не 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 волн овой природе света. В опубликованном в 1690 г. "Трактате о свете" Х.Гюйгенсом б ыл сформирован принцип, согласно которому каждая точка пространства, ко торой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится ис точником элементарных сферических волн, и на его основе вывел законы отр ажения и преломления света. Гюйгенсом было установлено явление поляриз ации света - явление, происходящее с лучом света при его отражении, прелом лении (особенно при двойном преломлении) и заключающееся в том, что колеб ательное движение во всех точках луча происходит лишь в одной плоскости , проходящей через направление луча, тогда как в неполяризованном луче к олебания происходят по всем направлениям, перпендикулярно к лучу. Гюйге нс, разработав идею Гримальди о том, что свет распространяется не только прямолинейно с преломлением и отражением, а и с разбиением (дифракция), да л объяснение всем известным оптическим явлениям. Он утверждает, что свет овые волны распространяются в эфире, представляющем собой пронизывающ ую все тела тонкую материю. Но что есть волна? Волна обязательно движется в каком то носителе, в котор ом и происходят периодические колебания. Но при распространении волны, н апример, на поверхности воды, не происходит перемещения воды в направлен ии распространения волны - при этом поверхность воды движется лишь ввер х и вниз. Но волна при своем перемещении передает действие от одной точки к другой. Аналогичным образом обстоит дело с распространением звуковой волны, но в этом случае волны распространяются в пространстве по всем на правлениям. О световых колебаниях можно судить по косвенным эффектам. Яв ление интерференции дает и свидетельство о волновой природе света. Прим ером интерференционного эффекта является появление окрашенных полос и ли колец, которые являются при растекании тонкого слоя нефти на поверхно сти воды. Свет в этом случае сначала отражается от верхней поверхности п ленки, а затем от нижней. Поэтому колебания в световом луче, которые отраж аются от нижней поверхности пленки, отстают от колебаний в луче, отражен ном от ее поверхности, причем это отставание равно расстоянию, равному у двоенной толщине пленки. Оба отраженных луча в этом случае интерферирую т так, что если толщина пленки равна четверти длины волны, то второй луч от стает от первого на половину волны. Наложение гребня волны, отраженной о т другой поверхности, дает темноту. Белый свет в результате интерференци и после отражения становится окрашенным. Ньютон сначала в своих докладах в Лондонском Королевском обществе и зат ем в "Оптике" (опубликованной в 1706 г.) изложил свою концепцию света. Следуя св оему феноменологическому методу, Ньютон экспериментально исследовал я вление дисперсии (разложение белого света при помощи призмы в спектр), за ложил основы оптической спектроскопии : он установил, что каждому цвету соответствует определенная длина световой волны и определил их. Ньютон показал, что цвета создаются не призмой. а являются компонентами белого света. Он видел слабость волновой концепции в том, что она оказалась не в с остоянии объяснить явление дифракции света - огибание светом препятств ий (это удастся сделать с позиции волновой концепции более столетия позж е Френелю). Ньютон же явление дифракции объяснял на основе полярности, пр исущей световому лучу. Другим недостатком волновой концепции было ее тр ебование допустить существование эфира-среды, в которой распространяе тся свет. Тот факт, что движение планет и комет в небесном пространстве не встречает заметного сопротивления, которое обязательно отразилось бы на правильности движения, позволил Ньютону существование такой среды п одвергнуть сомнению. А если отбросить возможность существования такой среды, то гипотеза о распространении света через нее утрачивает смысл. (К ритикуя волновую концепцию света, представляющую свет в виде распростр аняющихся в эфире механических волн, Ньютон не мог еще предположить, что световые волны могут иметь не механическую природу.) Устранение трудностей, стоящих перед волновой концепцией света, Ньютон видел на пути рассмотрения света как состоящего из корпускул - своеобраз ных "малых тел" (атомов), которые могут взаимодействовать с частицами веще ства. Такие тела, по его мнению, проходят через однородные среды "без загиб ания". Важно отметить, что, сравнивая волновую и корпускулярную концепци ю света, Ньютон не высказывается безоговорочно в пользу одной из них. Его высказывания многими исследователями его творчества трактуются как св оеобразный синтез волновой и корпускулярных концепций (предвосхитивши й гипотезу де Бройля, высказанную в 1924 г.). Открытие явление поляризации све та убеждало Ньютона в справедливости корпускулярной концепции света. И сследование же интерференции приводило его к выводу о наличии своеобра зной периодичности в свойствах света. Последователи Ньютона представи ли Ньютона как безоговорочного сторонника корпускулярной концепции св ета. Авторитет имени Ньютона, таким образом, в данном случае сыграл негат ивную роль - задержал развитие волновой теории света. 8. Принц ипы минимального времени П.Ферма и наименьшего действия П.Мопертюи Зачатки идеи физической эквивалентности волн и частиц были видны уже в ф ормулировке принципа минимального времени П.Ферма и принципа наименьш его действия П.Мопертюи. Принцип Ферма, сформулированный в 1660 г., устанавли вал, что действительный путь распространения света из одной точки в друг ую есть тот путь, для прохождения которого свету требуется минимальное ( или максимальное) время по сравнению с любым другим геометрически возмо жным путем между теми же точками. Принцип наименьшего действия Мопертюи (сформулированный в 1740 г.) устанавливал, что для определенного класса срав ниваемых друг с другом движений механической системы осуществляется т о, для которого действие минимально. Как оказалось, какова бы ни была сред а, корпускулы и волны следовали по минимальным траекториям - волна двига лась так, чтобы сделать минимальным время прохождения лучей, т.е. свет "выб ирает" путь, для которого количество действия является наименьшим (в соо тветствии с принципом Ферма), а движение частиц было таким, чтобы функция действия была минимальна, (в соответствии с принципом Мопертюи). Однако р еализация идеи соответствия между корпускулами и волнами была осущест влена Л. де Бройлем, Э.Шредингером, В.Гейзенбергом и П.Дираком лишь в 20-х гг. XX века. Так или иначе в механику вошли важные принципы, реализовавшие идею о том, что природа действует наиболее легкими и доступными путями. Разви тие этих принципов Л.Эйлером, И.Бернулли, Ж.Даламбером, позволило создать вариационное исчисление, позволяющее находить наибольшие и наименьшие значения переменных величин (функционалов), зависящих от выбора одной и ли нескольких функций, и построить законченную систему аналитической м еханики. 9. Особенности фи зических концепций XVIII века Развитие буржуаз ных отношений способствовало бурному росту промышленности и торговли, мануфактурное производство все больше сменялось фабричным. Развитие м ашинной индустрии, начавшееся с текстильной промышленности, распростр анилось на другие отрасли производства. Запросы производства оказывал и стимулирующее влияние на развитие науки, особенно механики и математи ки. И хотя разрыв между уровнем развития науки и техники уменьшался по ср авнению с предшествующим временем, техника в целом опережала в своем раз витии науки. Так, например, появлению паровоза не предшествовали соответ ствующие теплотехнические исследования, практическая металлургия не и мела в своей основе научных данных о процессах восстановления металлов, машиностроение осуществлялось без научных знаний о природе упругости твердых тел, их прочности и т.д. Постепенно роль научного знания в развити и техники и производства начинает осознаваться, растет интерес к научно му знанию. XVII век входит в историю как век Просвещения. Появляются новые ак адемии наук: Петербургская (1726 г.), Шведская (1729 г.) и т.д., а также новые периодич еские научные издания. Увеличивается число ученых. Роль науки в жизни об щества осознается все больше и больше. Развитие физики этого периода характеризуется возрастанием системати ческих исследований. Увеличившееся количество публикаций и переписка ученых способствует установлению связей между учеными. Картезианское направление все больше уступает место ньютоновской механике. Появляет ся первый систематический курс физики П. ван Бушенбрука (1739 г.). После постр оения Ньютоном основ механики необходимо было привести ее в стойкую сис тему и разработать методы вычисления конкретных задач статики и динами ки. Это и предопределило, с одной стороны, разработку и использование мат ематических концепций (вычислительной механики) и, с другой стороны, раз работку технической механики. Большой вклад в развитие вычислительной механики вносят Эйлер, Даламбер, Лангранж. Д.Бернулли, Эйлер, Даламбер зак ладывают основы гидродинамики (физической механики) жидкостей. Ш,Дюфе от крывает существование двух родов электричества и устанавливает, что од ноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные - прит ягиваются. Б.Франклин устанавливает закон сохранения электрического з аряда, а Ш.Кулон и Г.Кавендиш открывают основной закон электростатики, оп ределяющий силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов - за кон Кулона. Б.Франклин, М.В.Ломоносов, Г.Рихман доказывают электрическую п рироду шаровой молнии. Л.Гальвани устанавливает факт "животного электри чества" и возникновение разности потенциалов при контакте металла с эле ктролитом, чем положил начало источникам постоянного электрического т ока и электрофизиологии. А.Вольта создает первый химический источник эл ектрического тока (вольтов столб). П.Бугер и И.Ламберт создают фотометрию. В.Гершель открывает инфракрасные лучи, а И.Риттер и Волластон - ультрафио летовые. 10. Теория теплоро да и механическая концепция теплоты Практические пот ребности актуализировали исследования в области тепловых явлений. Маш иностроение и химическая промышленность нуждались в методах точного и змерения тепловых величин, прежде всего измерения температуры. Потребн ости метеорологии, химии. медицины также требовали совершенствования и змерения температуры. Развитие термохимии (Фарангейт, Делиль, Ломоносов , Реомюр, Цельсий) основывалось на использовании теплового расширения те л. Совершенствование паровой машины Ньюкомена, использовавшейся более полувека без изменений, требовало создания количественной теории тепл овых явлений. Дж.Блэк, изучая природу теплоты, установил, что различные виды вещества н агреваются в разной степени одним и тем же количеством теплоты, что позв олило ему выявить теплоемкость различных видов вещества, т.е. количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его темпера туру на один градус по Цельсию или Кельвину. Он установил, что при таянии л ьда и снега в течение определенного времени они поглощают тепло, не стан овясь при этом теплее. Это позволило ему обнаружить скрытое (латентное) с остояние теплоты. Блэк понимал теплоту как некую материальную субстанцию ("субстанцию теп лоты"). А. Лавуазье называл ее теплородом. Попытки взвесить ее оказались не удачными, поэтому теплоту стали рассматривать как особого рода невесом ую неуничтожаемую жидкость, способную перетекать от нагретых тел к холо дным. Лавуазье считал, что подобная концепция была в полном соответствии с его идеей получения теплоты с помощью химических соединений. Увлечени е этой концепцией оказалось столь велико, что кинетическая теория тепло ты, в рамках которой теплота представлялась как определенный вид движен ия частиц, отступила на второй план, несмотря на то, что ее разделяли Ньюто н, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов. Почему же концепция теплорода все-таки утвердилась, хотя и на время? П.С.К удрявцев дает следующее объяснение. Для физического мышления XVIII века был о характерно оперирование различными субстанциями - электрическими, ма гнитными, световыми, тепловыми. Свет, электричество, магнетизм, теплоту н аучились измерять. Это позволило уподобить невесомые феномены обычным массам и жидкостям, что способствовало развитию эксперимента и накопле нию необходимых фактов. Иначе говоря, концепция невесомых жидкостей ока залась необходимым этапом в развитии физических концепций. 11. Концепция единого универсального взаимодействия ч астиц вещества Р.Бошковича Развитие учения о теплоте привело к постановке как сторонниками теплор одной, так и кинетической концепции теплоты вопросов о строении веществ а, о причинах таких свойств тел, как прочность, упругость, сопротивляемос ть и т.д. вне зависимости от интенсивности теплового движения. Учения Дек арта, Галилея, Ньютона не давали ответов на эти вопросы. Бернулли такое св ойство как упругость приписывал атомам. Лейбниц утверждал. что представ ление о существовании неделимых атомов неверно, поэтому связывание физ ических свойств тел с величиной атомов бессмысленно. Р.Бошкович сформул ировал идею об едином универсальном законе взаимодействия частиц веще ства, на основе которого он пытался дать объяснение физическим свойства м вещества. Концепция Бошковича родственна представлениям Лейбница о с уществовании непротяженных первых простых элементов и ньютоновским пр едставлениям об изменяющихся с расстоянием силах. Бошкович исходил из п ризнания существования закона взаимодействия, действующего между любо й парой точечных частиц - первых элементов материи, неделимых и непротяж енных. На минимальных расстояниях между частицами действует сила оттал кивания, неограниченно возрастающая при их сближении. С увеличением рас стояния между частицами данная сила отталкивания убывает, постепенно п ереходя в силу притяжения, которая с дальнейшим увеличением расстояния уменьшается и постепенно превращается в силу отталкивания. Т.е. сила вза имодействия многократно меняет знак на сравнительно небольших расстоя ниях. При достижении определенного расстояния между двумя частицами си ла взаимодействия становится притягательной, убывающей, в соответстви и с законом тяготения, обратно пропорционально квадрату расстояния. Рац иональный смысл концепции Бошковича заключался в осознании того, что в п рироде нет абсолютно жестких неизменяемых тел, что любое тело является с истемой, состоящей из находящихся в подвижном равновесии частиц. Концеп ция Бошковича представляла собой физическую гипотезу, на основе которо й делалась попытка объяснить физические свойства вещества. Поэтому, в от личие от ньютонианцев, стремившихся свести задачи движения и взаимодей ствия тел к математической форме, Бошкович стремился механические зада чи свести к физике сил взаимодействия. Поскольку в это время не было дост аточных данных ни о строении вещества, ни о силах, действующих между част ицами, концепция Бошковича по отношению к магистральной линии развития физики этого времени оказалась маргинальной. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕП ЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ XIX ВЕКА 1. Становление классического естествознания Социально-экономические и политические условия развития науки в XIX веке в разных странах не были одинаковыми. И хотя эти условия не в сегда благоприятствовали развитию науки, для XIX века в целом характерен б урный рост научных исследований и авторитет науки. Во Франции под влияни ем технической революции развиваются преимущественно физико-математи ческие и естественные науки, руководящим центром которых выступал Наци ональный институт. В силу технико-экономической отсталости Германии в н ей не было столь же благоприятных, как во Франции, условий развития физик о-математических и естественных наук - предпочтение отдавалось философ ии, богословию и классической филологии. Наличие большого количества ун иверситетов, территориальная близость различных факультетов друг к др угу способствовали активному взаимовлиянию наук. Децентрализация унив ерситетской науки способствовала появлению большого числа научных изд аний. Успехи в области техники обусловили возрастание практицизма, что п ривело к принижению роли теоретических исследований и усилению роли пр икладных. Особенностью науки в Англии было отсутствие таких центров, как Национальный институт во Франции и широкой сети университетов, как в Ге рмании. Поэтому научные исследования чаще велись в одиночку, в изолирова нных друг от друга областях науки. Но это были блестящие исследования, ре зультаты которых из за отсутствия необходимых научно-исследовательски х и учебных организаций нередко разрабатывались учеными других стран. И звестный историк науки Дж.Мерц, характеризуя специфику развития науки э того периода, отмечал, что наибольшее число совершенных по форме и содер жанию трудов, ставших классическими для всех времен, выполнено, вероятно , во Франции; наибольшее количество научных работ было, вероятно, выполне но в Германии; наибольшая доля идей, которые оплодотворяли науку на прот яжении века, принадлежит, вероятно, Англии. Общей для всех стран характер ной чертой развития науки в XIX веке можно считать усиление ее взаимодейст вия с техникой и экономикой. Физика XIX века считается классической. Ньютоновский феномен ологический метод стал главным инструментом познания природы. Законы к лассической механики и методы математического анализа демонстрировал и свою эффективность. Физический эксперимент, опираясь на измерительну ю технику, обеспечивал небывалую ранее точность. Физическое знание все в большей мере становилось основой промышленной технологии и техники, ст имулировало развитие других естественных наук. В физике изолированные ранее свет, электричество, магнетизм и теплота оказались объединенными в электромагнитную теорию. И хотя природа тяготения оставалась не выясн енной, его действия можно было рассчитать. Утвердилась концепция механи стического детерминизма Лапласа, исходившая из возможности однозначно определить поведение системы в любой момент времени, если известные исх одные условия. Структура механики как науки казалась прочной, надежной и почти полностью завершенной - т.е. не укладывающиеся в существующие клас сические каноны феномены, с которыми приходилось сталкиваться. казалис ь вполне объяснимыми в будущем более изощренными умами с позиций класси ческой механики. Складывалось впечатление, что знание физики близко к св оему полному завершению - столь мощную силу демонстрировал фундамент кл ассической физики, несмотря на то. что в ее отдельных областях гнездилис ь остатки старых метафизических концепций. Но постепенно последние сда ют свои позиции: сходят с арены теория флюидов, теория теплорода и т.д. Про никновение физических знаний в промышленность, технику приводит к появ лению прикладной физики, а исследования в ее области значительно расшир яли фактический материал, требовавший теоретической интерпретации. В к онце концов неспособность классической теории объяснить новые факты п риводит на рубеже XIX и XX веков к научной революции в физике. 2. Волновая конце пция света О.Френеля Сформировавшиес я в предшествующее столетие корпускулярная и волновая концепция света в XIX веке продолжили ожесточенную борьбу. Первая опиралась на авторитет Н ьютона, вторая - на авторитет Гука, Гюйгенса, Эйлера, Ломоносова. Сторонник и корпускулярной концепции надеялись объяснить с ее позиций затруднен ия с объяснением явлений дифракции и интерференции. Т.Юнг дал это объясн ение с позиций волновой концепции. Исходя из высказанных им гипотез о су ществовании разреженного и упругого светоносного эфира, заполняющего Вселенную, о возбуждении волнообразных движений в эфире при свечении те ла, о зависимости ощущения различных цветов от различной частоты колеба ний, возбуждаемых светом на сетчатке глаза, о притягивании всеми материа льными телами эфирной среды, вследствие чего последняя накапливается в веществе этих тел и на малом расстоянии вокруг них в состоянии большей п лотности (но не большей упругости), Юнг делает вывод о том, что излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира. Это дало воз можность все разнообразие цветов свести к колебательным движениям эфи ра, а различие цветов объяснить различием частот колебаний эфира, а такж е сформулировать принцип интерференции. Прямолинейное распространение света было наиболее важным аргументом в пользу корпускулярной теории. О.Френель делает новый существенный шаг в развитии волновой теории. (Идея интерференции вообще оказалась столь п лодотворной, что при встрече с неизвестным видом излучения всегда стара ются получить интерференцию. И если это удается, то тем самым доказывает ся его волновой характер.) Связав принцип Гюйгенса, (согласно которому молекулы те ла, приведенные в колебание падающим светом становятся центрами испуск ания новых волн) с принципом интерференции, (согласно которому налагающи еся волны, в противоположность корпускулярным лучам, не обязательно уси ливаются, а могут и ослабляться до полного уничтожения), Френель дал объя снение прямолинейному распространению света, показав, что лучи, поляриз ованные перпендикулярно друг к другу, не интерферируются. В опытах по ди фракции света он установил. что дифракционные полосы появляются вследс твие интерференции лучей. Принцип интерференции позволил Френелю зако ны отражения и преломления объяснить взаимным погашением световых кол ебаний во всех направлениях, за исключением тех. которые удовлетворяют з акону отражения. Френелю удалось экспериментально доказать, что светов ые лучи могут воздействовать друг на друга, ослабляться и даже почти пол ностью погашаться в случаях согласных колебаний, что и позволило ему дат ь объяснение явлению дифракции. Френель доказал. что свет является попер ечным волновым движением. Он объяснил явление поляризации света в экспе риментальных исследованиях отражения и преломления света от поверхнос ти прозрачных веществ. Им было установлено, что отражение плоско-поляриз ованного света от поверхности прозрачного тела сопровождается поворот ом плоскости поляризации в тех случаях, когда эта плоскость не совпадает с плоскостью падения или не перпендикулярна к ней. Развивая идеи Гюйген са о распространении волн в кристаллах. Френель заложил основы кристалл ооптики. Таким образом, борьба волновой и корпускулярной концепции света в перво й половине XIX века завершается победой волновой концепции - было установл ено, что свет является поперечным волновым движением. Решающим вкладом в эту победу и явилось объяснение с помощью волновой концепции явлений д ифракции и интерференции света. 3. Концепции кл ассической электродинамики Классическая эле ктродинамика, представляющая собой теорию электромагнитных процессов в различных средах и вакууме, охватывает огромную совокупность явлений, в которых главная роль принадлежит взаимодействиям между заряженными частицами, которые осуществляются посредством электромагнитного поля . Разделом электродинамики, изучающим взаимодействия и электрические п оля покоящихся электрических зарядов, является электростатика. Успехи в области электростатики, выразившиеся в установлении количест венного закона электрических взаимодействий, способствовали не только накоплению экспериментальных данных в области электростатических явл ений и совершенствованию электростатических машин, но и созданию матем атической теории электро- и магнитостатистических взаимодействий. Отк рытие Л.Гальвани "животного электричества", создание А.Вольта первого ге нератора электрического тока ("вольтова столба"), осуществление первого описания замкнутой цепи электрического тока, открытие В.В.Петровым элек трической дуги, открытие Г.Дэви и М.Фарадея химического действия электри ческого тока, теоретические работы по электро- и магнитостатике С.Пуассо на и Д.Грина были завершающими успехами в области концепции электрическ ой жидкости, считавшейся в начале XIX века основой электростатики, подобно тому, как концепция магнитной жидкости считалась основой магнитостати ки. В дальнейшем главным направлением в данной области становится элект ромагнитизм. В 1820 г. Х.Эрстедом было открыто магнитное действие электрического тока - во круг проволоки с электрическим током было обнаружено магнитное поле. Та ким образом, была доказана связь электричества и магнетизма. А.Ампер, осн овываясь на единстве электрических и магнитных явлений, разработал пер вую теорию магнетизма, заложив тем самым основы электродинамики. Он разл ичал понятия электрического тока и электрического напряжения. Основны ми понятиями его концепции были "электрический ток", "электрическая цепь". Под электрическим током Ампер понимал непрестанно чередующиеся внутри проводника процессы соединения и разделения противоположно заряженны х частиц электричества. (Наименование единицы силы тока носит имя Ампера .) Им обосновано направление движения тока - направление положительного заряда электричества, а также установлен закон механического взаимоде йствия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Из данного закона следовало. что пар аллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваю тся, а в противоположных направлениях - отталкиваются. Из представления о магните как совокупности электрических токов, расположенных в плоско стях, перпендикулярных линии, соединяющей полюсы магнита, вытекал естес твенный вывод о том, что соленоид эквивалентен магниту. Революционный см ысл этого вывода был очевиден: для объяснения явления магнетизма больше не требовалось наличия "магнитной жидкости" - все явление магнетизма ока залось возможным свести к электродинамическим взаимодействиям. Следующим шагом в развитии электродинамики было открытие М.Фарадеем яв ления электромагнитной индукции - возбуждения переменным магнитным по лем электродвижущей силы в проводниках, - ставшей основой электротехник и. Важным результатом его исследований явилось также обоснование того, ч то отдельные виды электричества тождественны по своей природе, независ имо от их источника. Открытие закона электролиза(химическое действие эл ектрического тока прямо пропорционально количеству проходящего элект ричества), открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном по ле. Пытаясь объяснить явление электромагнитной индукции на основе конц епции дальнодействия, но встретившись с затруднениями, он высказал пред положение об осуществлении электромагнитных взаимодействий по средст вом электромагнитного поля, т.е. на основе концепции близкодействия. Это положило начало формированию концепции электромагнитного поля, оформл енную Д.Максвеллом. 4. Электромагнит ное поле Максвелла и эфир Теория Ньютона у спешно объяснила движение планет вокруг Солнца под влиянием силы притя жения, но не смогла верно объяснить движение электрически заряженных ча стиц, которые взаимодействуют друг с другом через пустое пространство п од влиянием электрических и магнитных сил - модель атома напоминает моде ль Солнечной системы (в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны). Вместе с тем между гравитаци онными и электромагнитными силами есть различия: электрический заряд и меет лишь некоторые частицы, а гравитацией обладают все формы вещества и энергии; электрические силы бывают положительными и отрицательными (пр ичем частицы с разным зарядом притягиваются, а с одинаковым - отталкиваю тся), а тяготеющие объекты только притягиваются; при малых масштабах (нап ример, в атоме) резко преобладают электромагнитные силы, а при больших ма сштабах (например, при масштабах Земли) - гравитационные. Д.К.Максвелл выве л систему уравнений, описывающих взаимосвязь движения заряженных част иц и поведение электромагнитных сил. Центральным понятием теории Максв елла было понятие поля, которое избавило от затруднений. связанных с нью тоновским действием на расстоянии. В XIX в. поле описывалось по аналогии с д вижущейся жидкостью, поэтому оно характеризовалось с помощью таких тер минов, как "магнитный поток", "силовые линии" и т.п. Описание же поля как жидк ости предполагает среду, передающую действие от одного заряда к другому . Такую гипотетическую жидкость назвали эфиром. Полагали, что эфир запол няет все пустое пространство, оставаясь невидимым. Электромагнитные по ля представлялись в виде натяжений в эфире. Заряженные частицы порождал и в эфире волны натяжений. скорость распространения которых, как и показ али расчеты, оказалась около 300000 км/с. Свет стал рассматриваться в виде эле ктромагнитных волн, которые вызывались движениями заряженных частиц и которые распространялись в пространстве как колебания эфира. С открыти ем электромагнитных волн (радиоволны, сверхвысокочастотные. тепловые (и нфракрасные), ультрафиолетовые, рентгеновские волны. гамма-излучения) по явилась возможность проверки ньютоновской теории пространства и време ни. Если Фарадей осуществил новый подход к изучению электрических и магнит ных явлений, создав концепцию поля. которое описвывалось с помощью силов ых линий, то Максвелл. введя точное понятие электромагнитного поля. сфор мулировал его законы. Из концепции Френеля о поперечных световых волн неизбежно вытекали воп росы о том, в какой же среде распространяются волны, почему нет продольны х световых волн, как действует эфир на движущиеся в нем тела и т.д. Было выс казано множество самых разнообразных гипотез относительно поперечнос ти световых волн (например, гипотеза абсолютно несжимаемого эфира, гипот еза неподвижного эфира, гипотеза эфира, частично увлекаемого за собой дв ижущимися в нем телами и т.д.). Т.е. существование самого эфира сомнению не п одвергалось, ибо распространение волн требовало соответствующей среды . Максвелл создает электромагнитную теорию света, установив уравнения, о бъяснявшие все известные к тому времени факты с единой точки зрения. В ни х устанавливалась связь между изменениями магнитного поля и возникнов ением электродвижущей силы. Свою главную задачу Максвелл усматривал в т ом, чтобы привести электрические явления к области динамики. Он исходил из того, что электрический ток нельзя рассматривать иначе как действия н е расположения. а распространения протекающие во времени. Причина элект рических токов была им названа электродвижущей силой. Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла задается напряжен ностью электрического поля и магнитной индукцией. Исследовав связи меж ду электрическими и магнитными полями. Максвелл из того, что изменяющеес я электрическое поле создает магнитное поле, которое само создает элект рическое поле, и количественного анализа этих соотношений пришел к выво ду о распространении данного процесса в пространстве. Иными словами, пер еменное электрическое поле в одной точке создает магнитное поле по сосе дству с ней, которое в свою очередь вызывает электрическое поле чуть дал ьше. Поскольку этот процесс происходит снова и снова, возникает колеблющ ееся электромагнитное поле, непрерывно расширяющееся в пространстве. П ри этом электрическое или магнитное поле распространяется независимо от способов их возникновения (будь то колебания зарядов или появление ма гнитов). Вычисления скорости распространения поля, выполненные по данны м о наблюдаемом токе, индуцированным движущимися магнитами, или по данны м о создаваемом токами магнитном поле, выявили. что она равна скорости св ета. И хотя Максвелл в своих вычислениях использовал измерения электрич еских токов и магнитных полей, т.е. явлений, казалось бы, не имеющих со свет ом ничего общего. Он из этих измерений сделал вывод о том, что колеблющеес я электрическое поле распространяется в виде волн со скоростью света. Эт им была установлена связь между оптикой и электричеством - областями, ко торые ранее представлялись не связанными друг с другом. Оптика стала раз делом электродинамики. Таким образом, свет оказался не чем иным, как распространением электрома гнитных волн. Экспериментальное их обнаружение Г.Герцем в 1880 г. означало п обеду электромагнитной концепции, хотя она в сознании ученых утвердила сь не сразу (концепции Ньютона понадобилось для своего утверждения поло вина века, концепции Максвелла понадобилась для этого четверть века). Ге рц установил, что электромагнитные волны имеют свойство, аналогичные св етовым: преломление, отражение, интерференцию, дифракцию, поляризацию, т у же скорость распространения. ( Оценивая результаты своих эксперименто в, Герц прекрасно понимал, что они рушат всякую теорию, считающую, что элек трические силы распространяются в пространстве мгновенно.) Концепция Максвелла явилась новым шагом в понимании природы электриче ских и магнитных явлений, обусловившим возможность появления радио, рад иолакации, телевидения и т.д. Она дала ответ на вопрос о природе световых в олн: световая волна есть волна электромагнитного поля, распространяюща яся в пространстве. Открытие Максвелла принято сравнивать по степени ва жности с открытием Ньютоном закона всемирного тяготения. Если Ньютон вв ел понятие всеобщего поля тяготения, то Максвелл ввел понятие электрома гнитного поля и установил законы его распространения. Развитием концепции Максвелла было измерение П.Н. Лебедевым давления св ета, предсказанного Максвеллом, а также использование электромагнитны х волн для беспроволочной связи А.С.Поповым и Г.Маркони. 5. Молекулярно-ки нетическая концепция тепловых процессов Как отмечалось ранее, глубокое изучение тепловых процессов предп олагает учет молекулярного строения вещества. Решение такой задачи ока залось сопряженным с использованием статистических методов. Включение тепловых процессов в рамки механической картины мира привело к открыти ю статистических законов, в которых связи между физическими величинами носят вероятностный характер. В классической статистической механике, в отличие от динамической, задаются не координаты и импульсы частиц сист емы, а функция распределения частиц по координатам и импульсам, имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координ ат и импульсов. Господство концепции теплорода и отсутствие необходимых эксперимента льных фактов в первой половине XIX века задержали развитие молекулярно-ки нетической теории вещества. Открытие закона сохранения энергии продем онстрировало связь теплоты с движением невидимых частиц вещества, дав т олчок исследованиям, начатым Р.Бойлем, М.В.Ломоносовым, Д.Бернулли и др. М.В. Ломоносов впервые высказал идею о тепловом вращательном движении атом ов. К этой идеи пришел и Г.Дэви. Д.Дальтон установил, что атомы одного и того же химического элемента обладают идентичными свойствами и, введя понят ие атомного веса химического элемента, дал ему определение как отношени я массы одного атома этого элемента к массе одного атома водорода. А.Авог адро установил. что идеальные газы (газы с пренебрежительно малыми силам и взаимодействия между его частицами) при одинаковых температуре и давл ении содержат в единице объема одинаковые количества молекул. К середине XIX века эквивалентность теплоты и энергии признало большинст во ученых, теплоту стали рассматривать как молекулярное движение. Опыты Ж.Л.Гей-Люссака и Д.Джоуля подтвердили независимость внутренней энергии идеальных газов от их объемов, что было свидетельством ничтожности дейс твующих между их молекулами сил. Р.Клаузиус к поступательному движению м олекул добавляет вращательное и внутримолекулярное колебательное дви жение и дает объяснение закону Авогадро как следствию того. что молекулы любых газов обладают одинаковой "живой силой" поступательного движения . Для данного этапа развития молекулярно-кинетической теории газов важн ым было вычисление средних значений различных физических величин, таки х как скорость движения молекул, число их столкновений в секунду, длина с вободного пробега и т.д., определение зависимости давления газа от числа молекул в единице объема и средней кинетической энергии поступательно го движения молекул - все это дало возможность выявить физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул. Следующий этап в развитии молекулярно-кинетической теории газов начал ся с работ Д.Максвелла. Благодаря введению понятия вероятности был устан овлен закон распределения молекул по скоростям (всякая система, вначале содержащая быстрые (горячие) и медленные (холодные) молекулы, должна прий ти в такое состояние, при котором большинство молекул движется со средни ми скоростями, становясь чуть теплыми), что и привело к созданию статисти ческой механики. В работах Л.Больцмана, построившего кинетическую теори ю газов, было дано статистическое обоснование второго начала термодина мики - необратимость процессов была связана со стремлением систем к наиб олее вероятному состоянию. Выявление статистического смысла второго н ачала термодинамики имело важное значение - оказалось , что второе начал о термодинамики в отличие от первого имеет границы своей применимости: о но не применимо к движению отдельной молекулы. Необратимость движения о бнаруживается в поведении лишь огромного числа молекул. Классическая статистическая механика завершается работами Д.Гиббса, с оздавшего метод расчета функций распределения не только для газа, но воо бще для любых систем в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщ ее же признание статистической механики наступит уже в XX веке, когда, на о снове молекулярно-кинетической теории будет построена количественная теория броуновского движения (на основе исследования последнего Ж.Перр ен доказал реальность существования молекул). Таким образом, молекулярно-кинетическая концепция газа является совок упностью огромного числа молекул, движущихся во всех направлениях, соуд аряющихся друг с другом и после каждого столкновения изменяющих направ ление своего движения. В таком газе существует средняя скорость движени я молекул, а поэтому должна существовать и средняя кинетическая энергия молекулы. Если это так, то теплота есть кинетическая энергия молекулярно го движения и любой определенной температуре соответствует определенн ая кинетическая энергия молекулы. Молекулярно-кинетическая теория вещ ества и качественно и количественно объясняет законы газов и других вещ еств, установленные экспериментально. Броуновское движение, обнаружен ное Р.Броуном, продемонстрировало движение частиц в жидкостях. Наблюдая через микроскопы за движением органических и неорганических веществ в воде, Броун установил, что их движение вызывается потоками в жидкости и н е ее постоянным испарением, а принадлежит самим частицам. Это наблюдение выглядит противоречащим всему предыдущему опыту. Молекулярно-кинетич еская теория позволила объяснить возникшую трудность. Суть дела заключается в следующем. Частицы, движущиеся в воде и наблюдае мые в микроскоп, бомбардируются меньшими частицами, из которых состоит в ода. броуновское движение возникает вследствие того, что данная бомбард ировка в силу своей хаотичности и неодинаковости с разных сторон, не мож ет быть уравновешена. Важно, таким образом, то, что наблюдаемое в микроско п движение является результатом движения, которое в данный микроскоп не наблюдаемо: хаотичный характер поведения больших частиц отражает хаот ичность поведения молекул, из которых состоит вещество. Отсюда ясно, что количественное изучение броуновского движения позволяет глубже прони кнуть в кинетическую теорию вещества. Поскольку бомбардирующие молеку лы имеют определенные массы и скорости, то изучение броуновского движен ия позволяет определить массу молекулы. 6. Концепции клас сической термодинамики а) Возникновение термодинамики Тепловые явления отличаются от механических и электромагнитных тем, что законы тепловых явлений необратимы (т.е. тепловые процессы самопроизвольно идут лишь в о дном направлении) и что тепловые процессы осуществляются лишь в макроск опических масштабах, а поэтому используемые для описания тепловых проц ессов понятия и величины (температура, количество теплоты и т.д.) также име ют только макроскопический смысл (о температуре, например, можно говорит ь применительно к макроскопическому телу, но не к молекуле или атому). Вме сте с тем знание строения вещества необходимо для понимания законов теп ловых явлений. Тело, рассматриваемое с термодинамической позиции, является неподвижн ым, не обладающим механической энергией. Но такое тело обладает внутренн ей энергией, складывающейся из энергий движущихся электронов и т.д. Это в нутренняя энергия может увеличиваться или уменьшаться. Передача энерг ии может осуществляться путем передачи от одного тела к другому при сове ршении над ними работы и путем теплообмена. Во втором случае внутренняя энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без соверше ния работы. Переданную энергию называют количеством теплоты, а передачу энергии - теплопередачей. В общем случае оба процесса могут осуществлять ся одновременно, когда тело при утрате внутренней энергии может соверша ть работу и передавать теплоту другому телу. К пониманию этого ученые пр ишли не сразу. Для XVIII и первой половине XIX вв. было характерно понимать тепло ту как невесомую жидкость (вещество). Представления о теплоте как форме движения мельчайших частиц материи п оявилось еще в XVII веке. Этих воззрений придерживались Бэкон, Декарт, Ньюто н, Гук, Ломоносов. Однако и в XIX веке концепция теплорода разделялась многи ми учеными. В конце XVIII века Б.Томпсон (граф Румфорд) обнаружил выделение бо льшого количества тепла при высверливании канала в пушечном стволе, что посчитал доказательством того, что теплота является формой движения. По лучение теплоты с помощью трения подтвердили опыты Г.Дэви. Б.Томпсон пок азал, что из ограниченного количества материи может быть получено неогр аниченное количество теплоты. Возникновение собственно термодинамики начинается с работы С.Карно (са м термин "термодинамика" введен Б.Томпсоном). Исследуя практическую зада чу получения движения из тепла применительно к паровым машинам, он понял , что принцип получения движения из тепла необходимо рассматривать не то лько по отношению к паровым машинам, но к любым мыслимым тепловым машина м. Так был сформулирован общий метод решения задачи - термодинамический, заложивший основу термодинамики. Определяя коэффициент полезного дейс твия тепловых машин, Карно ввел свой знаменитый цикл, состоящий из двух и зотермических (происходящих при постоянной температуре) и двух адиабат ических (без притока и отдачи тепла) процессов. КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т.д.) и определяется температурами т еплоотдатчика и теплоприемника. КПД любой тепловой машины не может быть при тех же температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше КПД цикла Карно. Карно первым вскрыл связь теплоты с работой. Но он исходил из концепции т еплорода, признававшей теплоту неизменной по количеству субстанцией. В месте с тем Карно уже понял, что работа паровой машины определяется всео бщим законом перехода тепла от более высоких к более низким температура м, т.е. что не может быть беспредельного воспроизведения движущей силы бе з затрат теплорода. Таким образом, работа представлялась как результат п ерепада теплорода с высшего уровня на низшие. Иначе говоря, теплота може т создавать работу лишь при наличии разности температур. По своему смысл у это и составляет содержание второго начала термодинамики. КПД теплово й машины оказался зависимым не от рабочего вещества, а от температуры те плоотдатчика и теплоприемника. Все это позволило Карно прийти к признан ию принципа невозможности создания вечного двигателя первого рода (т.е. непрерывно действующей машины, которая, будучи однажды запущенной, сове ршала бы работу без притока извне). Осознавая недостатки теории теплорода, Карно в конце концов отказывает ся от признания теплоты неизменной по количеству субстанцией и дает зна чение механического эквивалента теплоты. Но публикация этого вывода бы ла осуществлена уже после признания закона сохранения энергии, поэтому данный вывод не сыграл той роли. которую мог сыграть. будучи опубликован ным ранее. Но так или иначе Карно заложил основы термодинамики как разде ла физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы пер ехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться на осно ве фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результ атов многочисленных наблюдений и экспериментов. б) Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам) гласит: при сообщении термодинамической системе (например, пару в тепловой маши не) определенного количества теплоты в общем случае происходит при прир ащении внутренней энергии системы и она совершает работу против внешни х сил. Выше отмечалось, что первым, кто поставил теплоту в связь с работой, был Карно, но его работа в силу запоздалой публикации не оказала решающе го воздействия на формирование первого начала термодинамики. Однако ид ея о том, что теплота - не субстанция, а сила (энергия), одной из форм которой и является теплота, причем эта сила, в зависимости от условий, выступает в виде движения, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут п ревращаться друг в друга, существовала в умах исследователей. Для превра щения этой идеи в ясное и точное понятие, необходимо было определить общ ую меру этой силы. это сделали, независимо друг от друга, Р.Майер, Д.Джоуль и Г.Гельмгольц. Р.Майер первым сформулировал закон эквивалентности механической работ ы и теплоты и рассчитал механический эквивалент теплоты (1842 г.). Д.Джоуль эк спериментально подтвердил предположение о том, что теплота является фо рмой энергии и определил меру превращения механической работы в теплот у. Г.Гельмгольц в 1847 г. математически обосновал закон сохранения энергии, п оказав его всеобщий характер. Подход всех трех авторов закона сохранени я энергии был различным. Майер отталкивался больше от общих положений, с вязанных с аналогией между "живой силой" (энергией), которую приобретали т ела при своем падении в соответствии с законом всемирного тяготения, и т еплотой, которую отдавали сжатые газы. Джоуль шел от экспериментов по вы явлению возможности использования электрического двигателя как практ ического источника энергии (это обстоятельство и заставляло его задума ться над вопросом о количественной эквивалентности работы и теплоты). Г. Гельмгольц пришел к открытию закона сохранения энергии, пытаясь примен ить концепцию движения Ньютона к движению большого числа тел, которые на ходятся под влиянием взаимного притяжения. Его вывод о том, что сумма сил ы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальной энергией) остается пост оянной, является формулировкой закона сохранения энергии в его наиболе е общей форме. Этот закон - величайшее открытие XIX века. Механическая работ а, электричество и теплота - различные формы энергии. Д.Бернал так охаракт еризовал его значение: "Он объединил много наук и находился в исключител ьной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валют ой физики - так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во в селенной. То, что было установлено, представляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты. килограмметрами работы и киловатт-часами электричества. Вся че ловеческая деятельность в целом - промышленность, транспорт, освещение и , в конечном счете, питание и сама жизнь - рассматривалась с точки зрения з ависимости от этого одного общего термина - энергия ." в) Второе начало термодинамики - закон возрастания энтр опии: в замкнутой (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обр атимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процес сах) и в состоянии равновесия достигает максимума. Существуют и другие э квивалентные формулировки второго начала термодинамики, принадлежащи е разным ученым: невозможен переход теплоты от тела более холодного к те лу, более нагретому, без каких-либо других изменений в системе или окружа ющей среде (Р.Клаузиус); невозможно создать периодически действующую, т.е. совершающую какой-либо термодинамический цикл, машину, вся работа котор ой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соот ветствующему охлаждению теплового резервуара (В.Томсон, М.Планк); невозм ожно построить вечный двигатель второго рода, т.е. тепловую машину, котор ая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобра зует теплоту, получаемую от какого-либо одного "неисчерпаемого" источник а (океана, атмосферы и т.д.) в работу (В.Оствальд). В.Томсон (лорд Кельвин) сформулировав принцип невозможности создания ве чного двигателя второго рода, в 1852 году пришел к формированию концепции "т епловой смерти" вселенной. Ее суть раскрывается в следующих положениях. Во-первых, во вселенной существует тенденция к расточению механической энергии Во-вторых восстановление механической энергии в прежнем колич естве не может быть осуществлено. В-третьих, в будущем Земля очутится в не пригодном для жизни человека состоянии. Через 20 лет Клаузиус приходит к т ому же выводу, сформулировав второе начало термодинамики в виде: энтропи я вселенной стремится к максимуму. (Под энтропией он понимал величину, пр едставляющую собой сумму всех превращений, которые должны были иметь ме сто, чтобы привести систему в ее нынешнее состояние.) Суть в том, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать или оставаться постоянной. Иначе говоря, во всякой изолированной системе те пловые процессы однонаправлены, что и приводит к увеличению энтропии. Ст оит энтропии достигнуть максимума, как тепловые процессы в такой систем е прекращаются, что означает принятие всеми телами системы одинаковой т емпературы и превращение всех форм энергии в тепловую. Наступление сост ояния термодинамического равновесия приводит к прекращению всех макро процессов, что и означает состояние "тепловой смерти". Для распространения второго начала термодинамики на другие необратимы е процессы было введено понятие энтропии как меры беспорядка. Для изолир ованных систем (не пропускающих тепло) второе начало термодинамики можн о выразить следующим образом: энтропия системы никогда не уменьшается. С истема, находящаяся в состоянии равновесия, имеет максимальную энтропи ю. Понятие энтропии связывают и с понятием информации. Система, находящаяс я в упорядоченном состоянии, содержит много информации, а неупорядоченн ая система содержит мало информации. Так, например, текст книги содержит много информации, а случайный набор букв не несет информации. Информацию поэтому и отождествляют с отрицательной энтропией (или негэнтропией). П ри росте энтропии информация уменьшается. Среди множества выдвинутых против этого вывода возражений наиболее из вестным было возражение Максвелла. Он исходил из того, что второе начало имеет ограниченную область примерения. Максвелл считал второе начало т ермодинамики справедливым, пока мы имеем дело с телами, обладающими боль шой массой, когда нет возможности различать в этих массах отдельные моле кулы и работать с ними. Он предложил проделать мысленный эксперимент - пр едставить себе существо, способное следить за каждой молекулой во всех е е движениях, и разделить какой-либо сосуд на две части перегородкой с мал еньким отверстием в ней. Это существо (названное "демоном Максвелла"), спос обное различать отдельные молекулы, будет попеременно то открывать, то з акрывать отверстие таким образом, чтобы быстро движущиеся молекулы мог ли переходить в другую половину. В этом случае "демон Максвелла" без затра ты работы смог бы повысить температуру в первой половине сосуда и понизи ть во второй вопреки второму началу термодинамики. Данный процесс асимметричен во времени - без внешнего вмешательства он н е может стать обратимым. Т.е. бессмысленно ожидать в этом случае, что газы вернутся в первоначальное положение. Можно сказать, что в природе порядо к стремится уступить место беспорядку. Однако можно привести примеры, ко торые как будто бы противоречат данному принципу возрастания энтропии. Так, живые системы в своем развитии усложняются, вырастающие из жидкости кристаллы являются упорядоченнее этой жидкости и т.д. Однако полная энт ропия системы вместе с окружающей средой возрастает, ибо биологические процессы осуществляются за счет энтропии солнечного излучения и т.д. Л.Больцман, предпринявший попытку объяснить, почему порядок уступает ме сто беспорядку, сформулировал H-теорему, являющуюся результатом соедине ния двух подходов к приближению газа к состоянию равновесия - макроскопи ческого (законов ньютоновской механики, описывающих движение молекул) и микроскопического (исходящего из представления газа как стремящегося к беспорядочному перераспределению). Из теоремы следовал вывод о том, чт о энтропия может только возрастать - таково поведение термодинамически х систем во времени. Однако с Н-теоремой Больцмана оказался связанным парадокс, вокруг котор ого возникла дискуссия. Суть заключается в том, что с помощью одной основ анной на механике Ньютона молекулярной теории доказать постоянный рос т энтропии замкнутой системы нельзя, поскольку ньютоновская механика с имметрична во времени - любое движение атомов, основанное на законах нью тоновской механики. может быть представлено как происходящее в обратно м направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести из симметрии, то теорема Бол ьцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютона утверждает, что во зрастание энтропии асимметричного во времени) не может быть верной - для доказательства необходимо было к законам механики добавить и асимметр ию. Так что чисто механическая интерпретация закона возрастания энтроп ии оказывалась несостоятельной. На это первым обратили внимание Й.Лошми дт и Э.Цермело. При выводе Н-теоремы Больцман кроме механики Ньютона опирался на предпо ложение о молекулярном хаосе, которое, однако, не всегда верно. По теории в ероятности, возможность того, что молекулы газа в упомянутом ранее сосуд е будут двигаться не хаотично, а устремятся в какую-то одну его половину, н е является нулевой, хотя и исчезающе мала. Поэтому можно сказать, что в при нципе могут быть случаи, когда энтропия убывает, а хаотическое движение молекул будет упорядочиваться. Таким образом, Н-теорема Больцмана описы вает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесн ое, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская м одель лишается временной асимметрии. Но временная асимметрия - это реальный факт. Упорядоченность реальных си стем может возникать за счет внешних воздействий, а не за счет внутренни х беспорядочных флуктуаций (дом, например, воздвигается строителями, а н е в результате внутренних хаотических движений). В реальности все систем ы формируются под воздействием окружающей среды. Для различения реальн ых систем, которые, отделясь от окружающей Вселенной, приходят в состоян ие с низкой энтропией, и больцмановских постоянно изолированных от окру жающей среды систем, Г.Рейхенбах назвал первые ветвящимися структурами - в их иерархии упорядоченность каждой зависит от предыдущей. Ветвящаяс я структура ведет себя асимметрично во времени по причине скрытого возд ействия извне. При этом причина асимметрии - не в самой системе, а в воздей ствии. В реальном мире больцмановских систем нет. Асимметричные во времени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны (в том числе радиоволны). Так, радиоволны распространяются от передатчика в окружающ ее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространен ием волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника (предполо жим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, к огда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятс я в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симм етричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенн ый в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы им еем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющ ей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образова ние ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волново го движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенно й. Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привел а к выводу, что законы микромира ситуацию с "демоном Максвелла" делают нео существимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второ е начало термодинамики является законом статистическим. г) Третье начало термодинамики (теорема Нернста) : энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменно й. Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютном у нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помо щи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя до стичь температуры абсолютного нуля. М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры рав на нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при те мпературах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение уд ельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэф фициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижим ость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности тер модинамических процессов. Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма эне ргии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет невозможным соз дание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состо яния - энергию, второе начало ввело функцию состояния - энтропию. Если энер гия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, сост оящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьш ение энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществован ие таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтр опия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на о снове математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычисл ялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало терм одинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для раз вития термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние иде ального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделее вым. Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состоян ия теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленн о, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века. В ней состоян ие системы определяется через плотность, давление, температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как фу нкции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики опис ывают состояние системы во времени. 7. Возникновение предпосылок атомной и ядерной физики Концепции атомной и ядерной физики будут развертываться в ХХ стол етии, но события, давшие им толчок, произошли в конце XIX столетия. На стыке XIX и ХХ вв. в науке свершились открытия, заставившие заколебаться сложившую ся картину мира. Представлениям, основанным на классической механике, су ждено было уступить место новой, остающейся до сих пор во многом не завер шенной картине мира. События, положившие начало процессу смены картины м ира, связаны с открытием рентгеновских лучей и радиоактивности (1895-1896 гг.), о ткрытием электрона (1897 г.), структуры кристалла (1912 г.), нейтрона (1932 г.), деления я дра атома (1938 г.) и т.д., а также с теоретическими работами: квантовой теорией М.Планка (1900 г.), специальной теорией относительности А.Эйнштейна (1905 г.), атомн ой теорией Резерфорда - Н.Бора (1913 г.), общей теорией относительности А.Эйншт ейна (1916 г.), волновой механики Л.де Бройля и Э.Шредингера (1923-1926 гг.) и т.д. Посколь ку в основу изложения развития физических концепций был положен и хроно логический принцип, то и научные открытия, происшедшие в конце XIX столетия (хотя главные события, последующие за ними, будут происходить уже в ХХ сто летии), целесообразно рассмотреть в русле развития физики конца XIX столет ия. Конец XIX века демонстрировал наличие теории, удовлетворяющей практическ им потребностям. Явления электромагнетизма использовались в осветител ьных и силовых устройствах. Термодинамические концепции привели к созд анию двигателя внутреннего сгорания и химических установок, Электрома гнитная теория вызвала к жизни радио. Эти достижения были практической р еализацией утвердившихся научных знаний, от которых трудно было ожидат ь чего-то принципиально нового. Так что радикальные сдвиги следовало ожи дать в тех областях физики, которые до сих пор находились в тени и в которы х наблюдались какие-то явления, не укладывавшиеся в существующие физиче ские концепции. Область физики, занимавшаяся изучением электрических р азрядов, оказалась именно такой. Однако проводившиеся с электрическими разрядами в вакууме опыты привели к интересным результатам, а электроте хническая промышленность обнаружила потребность в совершенствовании вакуумной техники. Все это усилило интерес к исследованиям в этой област и физики. Первым результатом усиления этого интереса было открытие У.Круксом кат одных лучей, которые он назвал лучистой формой материи. Д.Стоней назвал к атодные лучи электронами, Ж.Перрен обнаружил у них отрицательный заряд, а Д.Томсон измерил их скорость. Следующим шагом было совершено непредвид енное открытие К.Рентгеном - обнаружение Х-лучей (получивших название ре нтгеновских), исходивших из катодно-лучевой разрядной трубки. Это открыт ие, помимо практических перспектив, имело важное значение для других обл астей физики. Д.Томсон установил, что не только электроны, которые ударял ись о какое-либо вещество, порождали рентгеновские лучи, но и последние п ри ударе о вещество порождают электроны. Тот факт, что электроны могли из влекаться из различных веществ, свидетельствовало о принадлежности их к электрической материи. Поскольку она состояла из отдельных частиц (ато мов), то это побудило Д.Томсона обратиться к раскрытию внутренней структ уры атома. Существование электрона - заряженной частицы с массой. котора я меньше массы атома и которая появляется из вещества при определенных у словиях, наводила на мысль о том, что эта частица является структурным эл ементом атома. А если атом электрически нейтрален, то должен быть структ урный элемент и с положительным зарядом. Первая модель атома, предложенная В.Томсоном и затем Д.Томсоном, включал а шарообразное облако положительного заряда, внутри которого находятс я электроны, расположенные в этом облаке концентрическими кольцами. Дан ная модель просуществовала недолго. Но это был первый шаг в раскрытии ст руктуры атома. Следующие модели атома появились уже в ХХ веке (модель Э.Ре зерфорда и модель Н.Бора). Открытие рентгеновских лучей было случайным. Открытие радиоактивнос ти, последовавшее вслед за открытием рентгеновских лучей, также оказало сь случайным. А.Беккерель пытался установить, не излучаются ли подобные лучи другими телами. Из различных веществ, которыми он располагал, Бекке рель случайно избрал соли урана. лучи, исходящие из урана, были радиоакти вными, причем получались без каких-либо устройств - они испускались сами м радиоактивным веществом. Пьер и Мария Кюри выделили еще более сильные радиоактивные элементы - полоний и радий. Э.Резерфорд, изучая характер ра диоактивного излучения, открывает альфа-лучи и бета-лучи и объясняет их природу. М.Планк установил. что атомы отдают энергию не непрерывно, а порц иями, т.е. существование предельного количества действия, контролировав шего количественно все энергетические обмены в атомных системах (посто янная Планка - h, равная 6,6 10 -27 эрг/сек. К.Лоренц создает элек тронную теорию, синтезировавшую идеи теории поля атомной теории. И хотя первоначально он не употребляет термина "электрон", а говорит о положите льно и отрицательно заряженных частицах вещества. открытие радиоактив ности и превращения атомов поколебало физические и химические предста вления XIX века. Это касалось закона неизменных элементов, установленного Лавуазье. Самопроизвольный радиоактивный распад в условиях отсутствия опытных данных о синтезе новых атомов мог истолковываться как одностор онний процесс постепенного разрушения вещества во Вселенной. Открытие первой субатомной частицы - электрона - выглядело аргументом в пользу от вергнутых представлений об электрической субстанции. Казалось, что был поставлен под сомнение и закон сохранения энергии. Возникшая ситуация с видетельствовала о том, что новые экспериментальные факты не укладываю тся в существовавшую физическую парадигму. Таким образом, обозначились истоки революционных преобразований в физических концепциях. Первый э тап этих преобразований начался в конце XIX века. Последующие этапы развер тывались уже в XX веке. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ФИЗИКИ ХХ ВЕКА 1. Революция в физике Физика XIX века пре дставляла собой основанную на механике Ньютона систему знаний, которая создателям этой системы представлялась почти завершенной. Революция в физике уже в самом начале ХХ века выявила ограниченность классической м еханики, чем поставила под сомнение истинность подобных представлений. Классическая физика, исходя из заложенного Декартом идеала, представля ла Вселенную в виде механической системы, поведение которой можно абсол ютно точно предсказать, если известны параметры, которые определяют нач альное состояние этой системы. Иными словами, основные утверждения клас сической механики имеют вполне определенный и однозначный характер. Ра зного рода неопределенности и неоднозначности, могущие иметь место при измерении величин, объясняются в ее рамках неизбежными погрешностями, с ложностью процедуры измерения и т.п. Подобная картина основывалась на предположениях, которые считались со вершенно очевидными. Первое заключалось в том, что мы живем в жестком и оп ределенном мире, в котором любое явление может быть строго локализовано , и что все развитие физического мира есть изменение положения тел в прос транстве с течением времени. Второе исходило из возможности сделать пре небрежимо малым возмущение естественного хода изучаемого процесса, вн осимое процедурой осуществления эксперимента. Как оказалось, оба предл ожения могут быть справедливыми лишь для определенных условий. Открытие кванта действия выявило противоречие между концепцией строго й локализации и концепцией динамического развития. Каждая из этих конце пций, взятая в отдельности от другой, может быть успешно использована дл я изучаемых явлений, но, будучи одновременно использованными, они не даю т точных результатов. Обе они - своего рода идеализация: первая - статистич еская, исключающая всякое движение и развитие, вторая - динамическая, иск лючающая понятие точного положения в пространстве и момента времени. В к лассической механике перемещения в пространстве и определение скорост и изучаются вне зависимости от того, каким образом физически эти перемещ ения реализуются. От абстрактного изучения законов движения можно пере ходить к динамике. Применительно к явлениям микромира подобная ситуаци я, как выявилось, невозможна принципиально. Здесь пространственно-време нная локализация, лежащая в основе кинематики, возможна лишь для некотор ых частных случаев, которые зависят от конкретных динамических условий движения. В макромасштабах использование кинематики вполне допустимо. Для микромасштабов, где главная роль принадлежит квантам, кинематика, из учающая движение вне зависимости от динамических условий, теряет смысл. Для масштабов микромира и второе положение оказывается несостоятельны м - оно справедливо лишь для явлений большого масштаба. Выявилось, что поп ытки измерить какую-либо величину, характеризующую изучаемую систему, в лечет за собой неконтролируемое изменение других величин, характеризу ющих данную систему: если предпринимается попытка установить положени е в пространстве и времени, то это приводит к неконтролируемому изменени ю соответствующей сопряженной величины, которая определяет динамическ ое состояние системы. Так, невозможно точно измерить в одно и то же время д ве взаимно сопряженные величины. Чем точнее определяется значение одно й величины, характеризующей систему, тем более неопределенным оказывае тся значение сопряженной ей величины. Это обстоятельство повлекло за со бой существенное изменение взглядов на понимание детерминизма, уровне й организации реальности. Детерминизм классической механики исходил из того, что будущее в извест ном смысле полностью содержится в настоящем - этим и определяется возмож ность точного предвидения поведения системы в любой будущий момент вре мени. Такая возможность предлагает одновременное определение взаимно сопряженных величин. В области микромира это оказалось невозможным, что и вносит существенные изменения в понимание возможностей предвидения и взаимосвязи явлений природы: раз значение величин, характеризующих со стояние системы в определенный момент времени, можно установить лишь с д олей неопределенности, то исключается возможность точного предсказани я значений этих величин в последующие моменты времени - можно лишь предс казать вероятность получения тех или иных величин. В этом случае связь м ежду результатами последовательных измерений не будет отвечать требов аниям классического детерминизма. Здесь можно говорить о вероятностно й связи, связанной с неопределенностью, вытекающей из существования ква нта действия. Другая революционная идея, повлекшая за собой изменение классической ф изической картины мира, касается создания теории поля. Классическая мех аника пыталась свести все явления природы к силам, действующим между час тицами вещества - на этом основывалась концепция электрических жидкост ей. В рамках этой концепции реальными были лишь субстанция и ее изменени я - здесь важнейшим признавалось описание действия двух электрических з арядов с помощью относящихся к ним понятий. Описание же поля между этими зарядами, а не самих зарядов было весьма существенным для понимания дейс твия зарядов. Созданной новой реальности места в механической картине м ира не было. В результате физика стала иметь дело с двумя реальностями - ве ществом и полем. Если классическая физика строилась на понятии вещества , то с выявлением новой реальности физическую картину мира приходилось п ересматривать. Попытки объяснить электромагнитные явления с помощью э фира оказалось несостоятельными. Эфир экспериментально обнаружить не удалось. Это привело к созданию теории относительности, заставившей пер есмотреть представления о пространстве и времени, характерные для клас сической физики. Таким образом, две концепции - теория квантов и теория от носительности - стали фундаментом для новых физических концепций. Д. Бер нал выделил три фазы в развитии научной революции. Первая фаза охватывал а период с 1895 по 1916 год. Для нее характерно исследование новых миров, создани е новых представлений, главным образом с помощью технических и теоретич еских средств науки ХХ века. Это период в основном индивидуальных достиж ений супругов Кюри, Резерфорда, Планка, Эйнштейна, Бора и др. Физические ис следования ведутся в университетских лабораториях, они слабо связаны с промышленностью, используемая аппаратура дешева и проста. Вторая фаза (1919-1939 гг.) характеризуется массовым внедрением промышленных м етодов и организованности в физические исследования. Хотя в это время фу ндаментальные исследования ведутся главным образом в университетских лабораториях, отдельные крупные ученые начинают возглавлять научные г руппы, начинают устанавливать связи с крупными промышленными исследов ательскими лабораториями. Растет число ученых. Физика расширяет сферу с воей деятельности. Начинается военное использование физических знаний , начинается установление связи между руководителями физических иссле дований с промышленными и государственными организациями в военных це лях. Третья фаза характеризуется еще большим расширением участия физики в в оенных программах. Физические исследования требуют дорогостоящей аппа ратуры, становятся все более дорогостоящими, в их организации все большу ю роль играет государство. Современный этап развития физических исследований становится еще боле е дорогостоящим, что ставит вопрос о необходимости международной коопе рации в осуществлении наиболее крупных проектов. Физика стала основой е стествознания. Появление и развитие таких разделов физики, как квантова я механика, квантовая электродинамика, общая теория относительности, те ория строения атомов, физика атомного ядра и субатомных частиц, квантова я физика твердого тела, квантовая физическая теория строения химически х соединений привело к созданию новой физической картины мира, к превращ ению физики из науки, которая изучает и объясняет механизм явлений, в нау ку, разрабатывающую методы искусственного воспроизведения физических процессов, в основу современных технических устройств, в лидера совреме нного естествознания. 2. Теория относи тельности а) Кризис класси ческих представлений о пространстве и времени Вначале вспомним, что концепция света Френеля включала признание существования эфира, заполняющего все пространство и проник ающего во все тела, в котором распространялись световые волны. Концепция света Максвелла понятие эфира сделала не нужным. Несмотря на это, концеп ция эфира не сошла с арены физики. Дело заключалось в том, что уравнения эл ектродинамики Максвелла были справедливыми в одной системе координат и несправедливыми в другой, движущейся прямолинейно и равномерно относ ительно первой. Классическая механика, исходившая из признания существ ования абсолютного времени, единого для всех систем отсчета и любых набл юдателей, признавала, что расстояние между двумя точками пространства д олжно иметь одно значение во всех системах координат, используемых для о пределения положения тел в пространстве (т.е. данное расстояние является инвариантом). Преобразование Галилея определяло преобразование коорд инат при переходе от одной системе отсчета к другой. Иначе говоря, если, н апример, уравнения Ньютона были справедливыми в системе координат, связ анной с неподвижными звездами, то они оказывались справедливыми и в друг их системах отсчета, которые двигались прямолинейно и равномерно относ ительно данных неподвижных звезд. Таким образом, получалось, что уравнен ия Максвелла справедливы только в одной системе отсчета, связанной с нек оей средой, заполняющей всю вселенную. Вот эту среду и продолжали считат ь эфиром. Все различие с первоначальной трактовкой эфира заключалось в т ом, что если раньше под эфиром понимали особую упругую среду, которая был а способна передавать световые колебания, то теперь эфиру стала отводит ься роль абстракции, необходимой для фиксации тех систем отсчета, в кото рых справедливы уравнения Максвелла. Однако и данную роль эфир не мог иг рать. Изучение световых явлений в движущейся системе координат предполагало определение скорости данной системы координат относительно эфира. Одн ако никому не удавалось в эксперименте обнаружить движение Земли относ ительно эфира, что находилось в противоречии с классической теорией. Зна менитый эксперимент Майкельсона-Морли (1887 г.) все сомнения, основывающиес я на несовершенстве используемой при проведении эксперимента, полност ью отверг и позволил окончательно отказаться от концепции эфира. Г.А.Лор енц попытался отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли согласовать с существующими теориями, высказав предположение о том, что тела при своем движении относительно эфира сокращаются в размерах этог о движения. Такой подход позволял сохранить концепцию эфира: эфир сущест вует, он неподвижен, движение тела относительно эфира обнаружить невозм ожно, поскольку в направлении движения тело меняет свои размеры. Из урав нений Лоренца следовало, что все световые явления будут протекать одина ково в разных системах координат, поэтому по этим явлениям обнаружить аб солютное движение по отношению к эфиру невозможно. В свете этого отрицат ельный результат эксперимента Майкельсона-Морли выглядел вполне естес твенным, а точная связь наблюдателей, движущихся равномерно и прямолине йно друг относительно друга, выражаясь не преобразованиями Галилея, а пр еобразованиями Лоренца. Понимание причин замены преобразований Галиле я преобразованиями Лоренца и выяснение физических следствий этой заме ны потребовало пересмотра понятий пространства и времени. Вспомним также, как развивались представления о пространстве и времени. Для аристотельской физики характерно представление о покое как естест венном состоянии любого тела. Это значит, что в движение тело может прийт и только под действием силы или импульса. Следствием такого представлен ия был вывод о том, что тяжелые тела должны падать с большей скоростью, чем легкие т.к. они сильнее притягиваются к Земле. В рамках этой традиции зако ны, которым подчинялась Вселенная, выводились умозрительно и не проверя лись на опыте. Галилей, заложивший начало современных представлений о законах движен ия тел, первым подверг сомнению представления аристотелевской физики. С катывая по гладкому откосу шары разного веса, Галилей установил, что ско рость увеличивается независимо от веса тела - на катящееся тело всегда д ействует одна и та же сила (вес тела), в результате чего скорость тела возр астала. Это означало, что приложенная к телу сила не просто заставляет эт о тело двигаться (как полагали до Галилея), а изменяет скорость тела. Ньюто н на основе произведенных Галилеем измерений вывел законы движения. Пер вый закон: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прям олинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Второй закон: произведение массы тела на его ускорение ра вно действующей силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы. Третий закон: действию всегда соответствует равное и противополож но направленное действие (иначе: действия двух тел друг на друга всегда р авны по величине и направлены в противоположные стороны). Кроме этих зак онов Ньютоном открыт закон всемирного тяготения: всякое тело притягива ет любое другое тело с силой, пропорциональной массам этих тел. Чем дальш е находятся тела друг относительно друга, тем меньше сила взаимодействи я. Гравитационная сила притяжения звезды составляет четвертую часть си лы притяжения такой же звезды, расположенной на вдвое меньшем расстояни и. Данный закон позволяет с большой точностью вычислять орбиты планет. Если для Аристотеля состояние покоя считалось предпочтительным (если н а тело не действует какая-то сила), то из законов Ньютона следовало, что ед иного эталона покоя нет. Это значит, что можно считать тело А движущимся о тносительно покоящегося тела В и наоборот - считать тело В движущимся от носительно покоящегося тела А. Отсюда следует, что невозможно определит ь, имели ли место два события в одной точке пространства, если они произош ли в разные моменты времени. Иначе говоря, никакому событию нельзя припи сать абсолютного положения в пространстве (как считал Аристотель). Это в ытекало из законов Ньютона. Но это противоречило идее абсолютного бога. Поэтому Ньютон не признавал отсутствия абсолютного пространства, т.е. то го, что следовало из открытых законов. Общим для Аристотеля и Ньютона было признание абсолютного времени - оба полагали, что время между двумя событиями можно измерить однозначно и чт о результат не зависит от того, кто осуществляет измерения, лишь бы были в наличии у измеряющего правильные часы. Время считалось полностью отдел енным от пространства и не зависящим от него. В 1676 г., за одиннадцать лет до выхода "Математических начал натуральной фил ософии" Ньютона, датский астроном О.Х.Ремер установил, что свет распростр аняется с конечной, хотя и очень большой скоростью. Но лишь Д.К.Максвеллу - создателю классической электродинамики - удалось объединить две частн ые теории, описывавшие электрические и магнитные силы. Согласно сформул ированным Максвеллом уравнениям, описывающим электромагнитные явлени я в произвольных средах и в вакууме, в электромагнитном поле могут сущес твовать распространяющиеся с постоянной скоростью волны (радиоволны с длиной метр и более, волны сверхвысокочастотного диапазона с длиной пор ядка сантиметра, волны инфракрасного диапазона с длиной до десяти тысяч ных сантиметра, волны видимого сектора с длиной сорок - восемьдесят милл ионных долей сантиметра, волны ультрафиолетового, рентгеновского и гам ма-излучения с длиной волны еще более короткой. Из теории Максвелла вытекало, что радиоволны и свет имеют фиксированную скорость распространения. Но поскольку после появления теории Ньютона представления об абсолютном покое ушли в прошлое, возник вопрос: относит ельно чего измерять скорость. Для этого было введено понятие эфира - особ ой субстанции, заполнявшей пространство. Стали считать, что световые вол ны распространяются в эфире (как звуковые в воздухе), а скорость распрост ранения определяется относительно эфира. Наблюдатели, движущиеся отно сительно эфира с разными скоростями, должны были видеть, что свет к ним ид ет с разной скоростью, но скорость света относительно эфира должна остав аться неизменной. Это означало, что при движении Земли в эфире по своей ор бите вокруг Солнца скорость света в направлении движения в сторону исто чника света должна быть выше по сравнению со скоростью света при условии отсутствия движения к источнику света. Однако опыт, поставленный А.Майк ельсоном и Э.Морли в 1887 г., в котором они сравнивали скорость света, измерен ную в направлении движения Земли, со скоростью, измеренной в перпендикул ярном этому направлению движения, показал, что обе скорости одинаковы. Д атский физик Х.Лоренц результат эксперимента Майкельсона-Морли объясн ял тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а часы з амедляют свой ход. Следующий шаг сделал А.Энштейн созданием специальной теории относител ьности, из которой вытекало. что при условии отказа от понятия абсолютно го времени нет никакой надобности в эфире. (Чуть позже аналогичную позиц ию высказал и А.Пуанкаре.) б) Специальная теория относительности Специальная теория относительности основывалась на п остулате относительности: законы науки должны быть одинаковыми для все х свободно движущихся наблюдателей независимо от скорости их движения. Это означало, что скорость света для любых наблюдателей, независимо от и х скорости движения должна быть одинаковой. Важно отметить два следстви я, вытекавшие из данного постулата. Первое - закон эквивалентности массы и энергии. Второе - закон, по которому ничто не может двигаться быстрее све та. Из закона эквивалентности массы и энергии (Е = mc 2 , где Е - энергия, m - масса, с - скорость света) следует, что чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость, причем данный эффект бо льше проявляется при скоростях, близких к скорости света. (Так, например, п ри скорости тела, составляющей 10% скорости света, масса данного тела увели чивается на 0,5%, тогда как при скорости тела, равной 90% от скорости света, его масса увеличивается в 2 раза.) По мере приближения скорости тела к скорост и света его масса увеличивается все быстрее. Для дальнейшего ускорения т ребуется все больше энергии. Но скорость тела никогда не может достигнут ь скорости света, поскольку в этом случае масса тела оказывается бесконе чно большой, а потому для достижения такой скорости потребовалось бы бес конечно большая энергия. Таким образом, принцип относительности позвол яет двигаться со скоростью света лишь телам, не обладающим нулевой массо й (массой покоя), и налагает запрет на достижение скорости света всем тела м, обладающим нулевой массой. Второе следствие из постулата относительности касается изменения пред ставлений о пространстве и времени. Если в теории Ньютона время прохожде ния светового импульса, посланного из одной точки в другую и измеренное разными наблюдателями, будет одинаковым (ибо время абсолютно), а пройден ный им путь может оказаться разным у разных наблюдателей (ибо пространст во не абсолютно), а разные наблюдатели получат разные скорости света (ибо скорость света есть пройденное светом расстояние, деленное на время), то в теории относительности у каждого наблюдателя должен быть свой масшта б времени, измеряемого с помощью имеющихся у него часов, причем показани е одинаковых часов, имеющихся у разных наблюдателей, могут не согласоват ься. Оказывается, что в рамках теории относительности нет надобности в п онятиях абсолютного времени и эфира, но зато происходит смена представл ений о пространстве и времени - теперь они не существуют как нечто не связ анное друг с другом, а существует единое пространство-время. Событие, как нечто происходящее в определенный момент времени и в определенной точк е пространства оказалось возможным характеризовать четырьмя координа тами. Специальная теория относительности объяснила постоянство скорости св ета для всех наблюдателей и позволила описать, что происходит при движен ии со скоростями, близкими к световым. Но она не согласовывалась с ньютон овской теорией гравитации, в соответствии с которой тела притягиваются друг к другу с силой, которая зависит от расстояния между ними. Это предпо лагает бесконечную скорость распространения гравитационных эффектов, а не равную или меньшую, как это требует теория относительности. Требова лось создать модель гравитации, согласовывающуюся со специальной теор ией относительности. Эйнштейн в своей общей теории относительности выс казал предположение о том, что гравитация является следствием искривле ния пространства-времени, вызванного распределенными в нем массой и эне ргией. Искривленность пространства-времени означает, что свет распрост раняется не прямолинейно, а искривляется в гравитационных полях. В норма льных условиях эффект искривления луча зафиксировать наблюдателю труд но, но это можно сделать во время солнечного затмения, когда Луна перекры вает солнечный свет. Это предсказание теории было подтверждено наблюде ниями в западной Африке в 1919 г. английской экспедицией. Другое предсказание общей теории относительности касалось того, что вр емя вблизи массивных тел должно течь медленнее. Это предсказание было пр оверено в 1962 г. Оказалось, что часы, расположенные ближе к поверхности земл и, действительно шли медленнее расположенных выше. Помимо общего интере са данный результат имеет большое значение для навигационных систем - иг норирование предсказаний общей теории относительности приводит к ошиб кам при определении координат в несколько километров. Таким образом, теория движения Ньютона отбросила представления об абсо лютном пространстве, а теория относительности - об абсолютном времени. В общей теории относительности нет единого абсолютного времени. До созда ния общей теории относительности пространство и время выступали как ме сто для событий, на которое все происходящее не влияет. В общей теории отн осительности пространство и время изменяются под влиянием происходящи х процессов и сами влияют на них. Оказалось, что говорить о пространстве и времени вне пределов Вселенной бессмысленно. Старые представления о ве чной и почти не изменяющейся Вселенной сменились представлениями об из меняющейся Вселенной, которая имела начало и возможно будет иметь конец. Таким образом, к началу ХХ века обнаружилась необходимость в коренном пе ресмотре представлений о пространстве и времени. Эксперименты свидете льствовали, что принцип относительности Галилея (в соответствии с котор ым механические явления протекают одинаково во всех инерционных систе мах отсчета) может быть отнесен и к области электромагнитных явлений, а п отому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, т.е. должны быть инвариантн ыми. Но это оказалось возможным лишь для случаев, когда преобразования к оординат и времени при таком переходе отличаются от преобразований Гал илея, используемых в ньютоновской механике. Лоренц выразил эти преобраз ования, но не смог дать им верную интерпретацию - она оказалась возможной в рамках специальной теории относительности, выявившей ограниченность механической картины мира. Все попытки свести электромагнитные процес сы к механическим процессам в эфире выявили свою несостоятельность, сле дствием чего и был вывод о том, что поведение формы материи в виде электро магнитного поля не укладываются в рамки законов механики. в) Общая теория относительности Специальная теория относительности имеет дело с инерциальными система ми координат, принцип относительности рассматривается применительно к прямолинейному и равномерному движению. Что же касается непрямолинейн ого или ускоренного движения, то принцип относительности в его прежней ф ормулировке здесь оказывается несправедливым, ибо в движущейся ускоре нной системе координат механические, оптические и электромагнитные яв ления протекают не так, как в инерциальных системах отсчета. Правильное описание этих физических явлений, учитывающее влияние на них ускорения, оказалось возможным на основе использования криволинейных координат в четырехмерном пространстве (четырехмерном пространственно-временном континууме Минковского). Эйнштейн предположил, что особенность сил тяго тения заключается в том, что они всегда пропорциональны массе тела, на ко торое они действуют. Отсюда следовало, что все тела при одних и тех же нача льных условиях движутся в поле тяготения независимо от массы или заряда , т.е. их траектория движения не зависит от свойств движущегося тела, а опр еделяется свойствами поля тяготения. Это позволяет влияние поля тяготе ния, действующего в определенной части пространства, учитывать путем вв едения локальной кривизны четырехмерного пространства. В специальной теории относительности четырехмерный пространственно-временной конт инуум является эвклидовым (плоским). Можно предположить, что четырехмерн ое пространство может быть и неэвклидовым, т.е. обладать переменной крив изной. В этом случае определение тела в пространстве возможно лишь с пом ощью криволинейной системы координат. Таким образом, под действием сил т яготения тела изменяют свои размеры и время течет в зависимости от велич ины этих сил, т.е. поле тяготения меняет свойства пространства и времени. Э лектромагнитное поле существует в пространстве и времени, а гравитацио нное поле выражает геометрию пространства и времени. В соответствии с об щей теорией относительности геометрия Евклида применима лишь к пустым пространствам, где нет тяжелых тел. Вблизи же тяжелых тел пространство и зогнуто. Общая теория относительности - общая физическая теория пространства, вр емени и тяготения - явилась новым этапом в развитии теории тяготения. Эйн штейн характеризовал отличие новой теории тяготения от старой следующ им образом: "1. Гравитационные уравнения общей теории относительности могут быть при менены к любой системе координат. Выбрать какую-либо особую систему коор динат в специальном случае - дело лишь удобства. Теоретически допустимы все системы координат. Игнорируя тяготение, мы автоматически возвращае мся к инерциальной системе специальной теории относительности. 2. Ньютонов закон тяготения связывает движение тела здесь и теперь с дейс твием другого тела в то же самое время на далеком расстоянии. Этот закон с тал образцом для всего механического мировоззрения. Но механическое ми ровоззрение потерпело крах. В уравнениях Максвелла мы создали новый обр азец для законов природы. Уравнения Максвелла суть структурные законы. О ни связывают события, которые происходят теперь и здесь, с событиями, кот орые происходят немного позднее и в непосредственном соседстве. Они сут ь законы, описывающие электромагнитное поле. Наши новые гравитационные уравнения суть также структурные законы, описывающие изменение поля тя готения. Схематически мы можем сказать: переход от ньютоновского закона тяготения к общей теории относительности до некоторой степени аналоги чен переходу от теории электрических жидкостей и закона Кулона к теории Максвелла. 3. Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями. Гравитационные уравнения общей теории относительности стр емятся раскрыть геометрические свойства нашего мира." Итак, механическая картина мира оказалась несостоятельной в силу того, ч то было невозможно объяснить все явления, исходя из предположения о дейс твии между неизменными частицами простых сил. Попытки перехода от механ ических представлений к понятию поля были успешными в области электром агнитных явлений. Структурные законы, сформулированные для электромаг нитного поля, связали события, смежные в пространстве и времени. Это были законы специальной теории относительности. Общая теория относительнос ти сформулировала структурные законы, описывающие поле тяготения межд у материальными телами, она обратила внимание на ту роль, которую играет геометрия в описании физической реальности. В настоящее время специальная теория относительности подтверждена экс периментально. Так. например, предсказанное этой теорией увеличение мас сы электронов при приближении их к скорости света подтвердилось неодно кратно. Эквивалентность массы и энергии также доказана экспериментами в ядерной физике. Что же касается общей теории относительности, то столь же утвердительные экспериментальные доказательства ее истинности отс утствуют. Многие физики пока не считают достаточно утвердительными фак ты, приводимые в ее пользу : малое вековое смещение перигелия Меркурия, сл абое отклонение проходящих вблизи Солнца световых лучей интерпретирую тся по-разному. Более убедительным представляется аргумент, связанный с измерением красного смещения спектральных линий, которые излучаются с путником Сириуса. Однако единственный аргумент не является доказатель ством достоверности. Данная теория не является законченной. Существуют различные точки зрения на понимание сущности общей теории относительн ости, отличные от эйнштейновской. Вместе с тем данная теория является од ним из самых выдающихся теоретических построений, демонстрирующих вну треннюю логическую стойкость и вносящих в физику множество многообраз ных идей. Завершая данный раздел, важно зафиксировать еще раз следующий факт. Суще ствуют вещество и поле как различные физические реальности. Попытки физ иков XIX века построить физику на основе только понятия вещества оказалис ь несостоятельными. Построить физику на основе лишь понятия поля пока не удалось. Так что во всех теоретических построениях приходится признава ть обе реальности. Но в связи с этим встает проблема взаимодействия элем ентарных частиц с полем. Попытки решения этой проблемы приводят к кванто вой физике. 3. Квантовая теор ия а) Предпосылк и квантовой теории В конце XIX века выяв илась несостоятельность попыток создать теорию излучения черного тела на основе законов классической физики. Из законов классической физики с ледовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любо й температуре, терять энергию и понижать температуру до абсолютного нул я. Иными словами. тепловое равновесие между веществом и излучением было невозможно. Но это находилось в противоречии с повседневным опытом. Более детально это можно пояснить следующим образом. Существует поняти е абсолютно черного тела - тела, поглощающего электромагнитное излучени е любой длины волны. Спектр его излучения определяется его температурой . В природе абсолютно черных тел нет. Наиболее точно абсолютно черному те лу соответствует замкнутое непрозрачное полое тело с отверстием. Любой кусок вещества при нагревании светится и при дальнейшем повышении темп ературы становится сначала красным, а затем - белым. Цвет от вещества почт и не зависит, для абсолютно черного тела он определяется исключительно е го температурой. Представим такую замкнутую полость, которая поддержив ается при постоянной температуре и которая содержит материальные тела, способные испускать и поглощать излучения. Если температура этих тел в н ачальный момент отличалась от температуры полости, то со временем систе ма (полость плюс тела) будет стремиться к термодинамическому равновесию , которое характеризуется равновесием между поглощаемой и измеряемой в единицу времени энергией. Г.Кирхгоф установил, что это состояние равнове сия характеризуется определенным спектральным распределением плотно сти энергии излучения, заключенного в полости, а также то, что функция, опр еделяющая спектральное распределение (функция Кирхгофа), зависит от тем пературы полости и не зависит ни от размеров полости или ее форм, ни от сво йств помещенных в нее материальных тел. Так как функция Кирхгофа универс альна, т.е. одинакова для любого черного тела, то возникло предположение, ч то ее вид определяется какими-то положениями термодинамики и электроди намики. Однако попытки такого рода оказались несостоятельными. Из закон а Д.Рэлея следовало, что спектральная плотность энергии излучения должн а монотонно возрастать с увеличением частоты, но эксперимент свидетель ствовал об ином: вначале спектральная плотность с увеличением частоты в озрастала, а затем падала. Решение проблемы излучения черного тела требо вало принципиально нового подхода. Он был найден М.Планком. Планк в 1900 г. сформулировал постулат, согласно которому вещество может ис пускать энергию излучения только конечными порциями, пропорциональным и частоте этого излучения (см. раздел "Возникновение атомной и ядерной фи зики"). Данная концепция привела к изменению традиционных положений, леж ащих в основе классической физики. Существование дискретности действи я указывало на взаимосвязь между локализацией объекта в пространстве и времени и его динамическим состоянием. Л. де Бройль подчеркивал, что "с точ ки зрения классической физики эта связь представляется совершенно нео бъяснимой и гораздо более непонятной по следствиям, к которым она привод ит, чем связь между пространственными переменными и временем, установле нная теорией относительности." Квантовой концепции в развитии физики бы ло суждено сыграть огромную роль. Следующим шагом в развитии квантовой концепции было расширение А.Эйншт ейном гипотезы Планка, что позволило ему объяснить закономерности фото эффекта, не укладывающиеся в рамки классической теории. Сущность фотоэф фекта заключается в испускании веществом быстрых электронов под дейст вием электромагнитного излучения. Энергия испускаемых электронов при этом от интенсивности поглощаемого излучения не зависит и определяетс я его частотой и свойствами данного вещества, но от интенсивности излуче ния зависит число испускаемых электронов. Дать объяснение механизму ос вобождаемых электронов не удавалось, поскольку в соответствии с волнов ой теорией световая волна, падая на электрон, непрерывно передает ему эн ергию, причем ее количество в единицу времени должно быть пропорциональ но интенсивности волны, падающей на него. Эйнштейн в 1905 году высказал пред положение о том, что фотоэффект свидетельствует о дискретном строении с вета, т.е. о том, что излучаемая электромагнитная энергия распространяет ся и поглощается подобно частице (названной затем фотоном). Интенсивност ь падающего света при этом определяется числом световых квантов, падающ их на один квадратный сантиметр освещаемой плоскости в секунду. Отсюда ч исло фотонов, которые испускаются единицей поверхности в единицу време ни. должно быть пропорционально интенсивности освещения. Многократные опыты подтвердили это объяснение Эйнштейна, причем не только со светом, но и с рентгеновскими и гамма-лучами. Эффект А.Комптона, обнаруженный в 1923 г оду, дал новые доказательства существования фотонов - было обнаружено уп ругое рассеяние электромагнитного излучения малых длин волн (рентгено вского и гамма-излучения) на свободных электронах, которое сопровождает ся увеличением длины волны. Согласно классической теории, при таком расс еянии длина волны не должна меняться. Эффект Комптона подтвердил правил ьность квантовых представлений об электромагнитном излучении как о по токе фотонов - он может рассматриваться как упругое столкновение фотона и электрона, при котором фотон передает электрону часть своей энергии, а потому его частота уменьшается, а длина волны увеличивается. Появились и другие подтверждения фотонной концепции. Особенно плодотв орной оказалась теория атома Н.Бора (1913 г.), выявившая связь строения матери и с существованием квантов и установившая, что энергия внутриатомных дв ижений может меняться также лишь скачкообразно. Таким образом, признани е дискретной природы света состоялось. Но ведь по сути своей это было воз рождение отвергнутой ранее корпускулярной концепции света. Поэтому вп олне естественно возникли проблемы: как совместить дискретность струк туры света с волновой теорией (тем более, что волновая теория света подтв ерждалась целым рядом экспериментов), как совместить существование ква нта света с явлением интерференции, как явления интерференции объяснит ь с позиции квантовой концепции? Таким образом, возникла потребность в к онцепции, которая увязывала бы корпускулярный и волновой аспекты излуч ения. б) Принцип соответствия Для устранения трудности, возникшей при использовании классической физики для обоснования устойчивости атомов (вспомним, что потеря энергии электроном приводит к его падению на ядро), Бор предполож ил, что атом в стационарном состоянии не излучает (см. предыдущий раздел). Это означало, что электромагнитная теория излучения для описания элект ронов, движущихся по стабильным орбитам, не годится. Но квантовая концеп ция атома, отказавшись от электромагнитной концепции, не могла объяснит ь свойства излучения. Возникла задача: попытаться установить определен ное соответствие между квантовыми явлениями и уравнениями электродина мики с целью понять, почему классическая электромагнитная теория дает в ерное описание явлений большого масштаба. В классической теории движущ ийся в атоме электрон излучает непрерывно и одновременно свет разных ча стот. В квантовой же теории электрон, находящийся внутри атома на стацио нарной орбите, наоборот, не излучает - излучение кванта происходит лишь в момент перехода с одной орбиты на другую, т.е. излучение спектральных лин ий определенного элемента является дискретным процессом. Таким образо м, налицо два совершенно различных представления. Можно ли их привести в соответствие и если да, то в какой форме? Очевидно, что соответствие с классической картиной возможно лишь при од новременном испускании всех спектральных линий. В то же время очевидно, что с квантовой позиции излучение каждого кванта является актом индиви дуальным, а поэтому для получения одновременного испускания всех спект ральных линий необходимо рассматривать целый большой ансамбль атомов одинаковой природы, в котором осуществляются различные индивидуальные переходы, приводящие к испусканию различных спектральных линий конкре тного элемента. В этом случае понятие интенсивности различных линий спе ктра необходимо представлять статистически. Для определения интенсивн ости индивидуального излучения кванта необходимо рассматривать ансам бль большого числа одинаковых атомов. Электромагнитная теория позволя ет дать описание макроскопических явлений, а квантовая теория тех явлен ий, в которых важную роль играют множество квантов. Поэтому вполне вероя тно, что результаты, полученные квантовой теорией, будут стремиться к кл ассическим в области множества квантов. Согласование классической и кв антовой теорий и следует искать в этой области. Для вычисления классичес ких и квантовых частот необходимо выяснить, совпадают ли эти частоты для стационарных состояний, которые отвечают большим квантовым числам. Бор выдвинул предположение о том, что для приближенного вычисления реально й интенсивности и поляризации можно использовать классические оценки интенсивностей и поляризаций, экстраполируя на область малых квантовы х чисел то соответствие, которое было установлено для больших квантовых чисел. Данный принцип соответствия нашел подтверждение: физические рез ультаты квантовой теории при больших квантовых числах должны совпадат ь с результатами классической механики, а релятивистская механика при м алых скоростях переходит в классическую механику. Обобщенная формулир овка принципа соответствия может быть выражена как утверждение, соглас но которому новая теория, которая претендует на более широкую область пр именимости по сравнению со старой, должна включать в себя последнюю как частный случай. Использование принципа соответствия и придание ему бол ее точной формы способствовали созданию квантовой и волновой механики. К концу первой половины XX века в исследованиях природы света сложились д ве концепции - волновая и корпускулярная, которые остались не в состояни и преодолеть разделяющий их разрыв. Возникла настоятельная потребност ь создать новую концепцию, в которой квантовые идеи должны лечь в ее осно ву, а не выступать в роли некого "довеска". Реализация этой потребности был а осуществлена созданием волновой механики и квантовой механики, котор ые по сути составили единую новую квантовую теорию - различие заключалос ь в используемых математических языках. Квантовая теория как нерелятив истская теория движения микрочастиц явилась самой глубокой и широкой ф изической концепцией, объясняющей свойства макроскопических тел. В кач естве ее основы были положены идея квантования Планка-Эйнштейна-Бора и г ипотеза о волнах материи де Бройля. в) Волновая механика Ее основные идеи появились в 1923-1924 гг., когда Л. де Бройлем бы ла высказана мысль о том, что электрон должен обладать и волновыми свойс твами, навеянная аналогией со светом. К этому времени представления о ди скретной природе излучения и существовании фотонов уже достаточно укр епились, поэтому для полного описания свойств излучения надо было пооче редно представлять его то как частицу, то как волну. А поскольку Эйнштейн уже показал, что дуализм излучения связан с существованием квантов, то е стественно было поставить вопрос о возможности обнаружения подобного дуализма и в поведении электрона (и вообще материальных частиц). Гипотез а де Бройля о волнах материи получила подтверждение обнаруженным в 1927 г. я влением дифракции электронов: оказалось, что пучок электронов дает дифр акционную картину. (Позже будет обнаружена дифракция и у молекул.) Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, Э.Шредингер в 1926 г. вывел основно е уравнение механики (которую он назвал волновой), позволяющее определит ь возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Уравн ение содержало так называемую волновую функцию (пси-функцию), описывающую волну (в абстракт ном, конфигурационном пространстве). Шредингер дал общее правило преобр азования данных классических уравнений в волновые, которые относятся к многомерному конфигурационному пространству, а не реальному трехмерно му. Пси-функция определяла плотность вероятности нахождения частицы в д анной точке. В рамках волновой механики атом можно было представить в ви де ядра, окруженного своеобразным облаком вероятности. С помощью пси-фун кции определяется вероятность присутствия электрона в определенной об ласти пространства. г) Квантовая (матричная) механика. Принцип неопределенности В 1926 г. В.Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантово й теории в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от принципа со ответствия. Столкнувшись с тем, что при переходе от классической точки з рения к квантовой нужно разложить все физические величины и свести их к набору отдельных элементов, соответствующих различным возможным перех одам квантового атома, он пришел к тому, чтобы каждую физическую характе ристику квантовой системы представлять таблицей чисел (матрицей). При эт ом он сознательно руководствовался целью построить феноменологическу ю концепцию, чтобы исключить из нее все, что невозможно наблюдать непоср едственно. В этом случае нет никакой необходимости вводить в теорию поло жение, скорость или траекторию электронов в атоме, поскольку мы не можем ни измерять, ни наблюдать эти характеристики. В расчеты следует вводить лишь те величины, которые связаны с реально наблюдаемыми стационарными состояниями, переходами между ними и сопровождающими их излучениями. В м атрицах элементы были расположены в строки и столбцы, причем каждый из н их имел два индекса, один из которых соответствовал номеру столбца, а дру гой - номеру строки. Диагональные элементы (т.е. элементы, индексы которых совпадают) описывают стационарное состояние, а недиагональные (элемент ы с разными индексами) - описывают переходы из одного стационарного сост ояния в другое. Величина же этих элементов связывается с величинами, хар актеризующими излучение при данных переходах, полученными с помощью пр инципа соответствия. Именно таким способом Гейзенберг строил матричну ю теорию, все величины которой должны описывать лишь наблюдаемые явлени я. И хотя наличие в аппарате его теории матриц, изображающих координаты и импульсы электронов в атомах, оставляет сомнение в полном исключении не наблюдаемых величин, Гейзенберту удалось создать новую квантовую конц епцию, составившую новую ступень в развитии квантовой теории, суть котор ой состоит в замене физических величин, имеющих место в атомной теории, м атрицам - таблицам чисел. Результаты, к которым приводили методы, использ уемые в волновой и матричной механике, оказались одинаковыми, поэтому об е концепции и входят в единую квантовую теорию как эквивалентные. Методы матричной механики, в силу своей большей компактности часто быстрее при водят к нужным результатам. Методы волновой механики, как считается, луч ше согласуется с образом мышления физиков и их интуицией. Большинство фи зиков при расчетах пользуется волновым методом и использует волновые ф ункции. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, в соответствии с к оторым координаты и импульс не могут одновременно принимать точные зна чения. Для предсказания положения и скорости частицы важно иметь возмож ность точно измерять ее положение и скорость. При этом чем точнее измеря ется положение частицы (ее координаты), тем менее точными оказываются из мерения скорости. Хотя световое излучение состоит из волн, однако в соответствии с идеей П ланка, свет ведет себя как частица, ибо излучение и поглощение его осущес твляется в виде квантов. Принцип неопределенности же свидетельствует о том, что частицы могут вести себя как волны - они как бы "размазаны" в простр анстве, поэтому можно говорить не об их точных координатах, а лишь о вероя тности их обнаружения в определенном пространстве. Таким образом, квант овая механика фиксирует корпускулярно-волновой дуализм - в одних случая х удобнее частицы считать волнами, в других, наоборот, волны частицами. Ме жду двумя волнами-частицами можно наблюдать явление интерференции. Есл и гребни одной волны совпадают с впадинами другой волны, то они гасят дру г друга, а если гребни и впадины одной волны совпадают с гребнями и впадин ами другой волны, то они усиливают друг друга. д) Интерпретации квантовой теории. Принцип дополнительности Возникновение и развитие квантовой теории привело к изменению классич еских представлений о структуре материи, движении, причинности, простра нстве, времени, характере познания и т.д., что способствовало коренному пр еобразованию картины мира. Для классического понимания материальной ч астицы было характерно резкое ее выделение из окружающей среды, обладан ие собственным движением и местом нахождения в пространстве. В квантово й теории частица стала представляться как функциональная часть систем ы, в которую она включена, не имеющая одновременно координат и импульса. В классической теории движение рассматривалось как перенос частицы, ост ающейся тождественно самой себе, по определенной траектории. Двойствен ный характер движения частицы обусловил необходимость отказа от таког о представления движения. Классический (динамический) детермизм уступи л место вероятностному (статистическому). Если ранее целое понималось ка к сумма составляющий частей, то квантовая теория выявила зависимость св ойств частицы от системы, в которую она включена. Классическое понимание познавательного процесса было связано с познанием материального объе кта как существующего самого по себе. Квантовая теория продемонстриров ала зависимость знания об объекте от исследовательских процедур. Если к лассическая теория претендовала на завершенность, то квантовая теория с самого начала развертывалась как незавершенная, основывающаяся на ря де гипотез, смысл которых вначале был далеко не ясен, а поэтому ее основны е положения получали разное истолкование, разные интерпретации. Разногласия выявились прежде всего по поводу физического смысла двойс твенности микрочастиц. Де Бройль вначале выдвинул концепцию волны-пило та, в соответствии с которой волна и частица сосуществуют, волна ведет за собой частицу. Реальным материальным образованием, сохраняющим свою ус тойчивость, является частица, поскольку именно она обладает энергией и и мпульсом. Волна, несущая частицу, управляет характером движения частицы . Амплитуда волны в каждой точке пространства определяет вероятность ло кализации частицы рядом с этой точкой. Шредингер проблему двойственнос ти частицы решает по сути путем ее снятия. Для него частица выступает как чисто волновое образование. Иначе говоря, частица есть место волны, в кот ором сосредоточена наибольшая энергия волны. Интерпретации де Бройля и Шредингера представляли собой по сути попытки создать наглядные модел и в духе классической физики. Однако это оказалось невозможным. Гейзенбергом была предложена интерпретация квантовой теории, исходя (к ак было показано ранее) из того, что физика должна пользоваться только по нятиями и величинами, основанными на измерениях. Гейзенберг поэтому и от казался от наглядного представления движения электрона в атоме. Макроп риборы не могут дать описание движения частицы с одновременной фиксаци ей импульса и координат (т.е. в классическом смысле) по причине принципиал ьно неполной контролируемости взаимодействия прибора с частицей - в сил у соотношения неопределенностей измерение импульса не дает возможност и определить координаты и наоборот. Иначе говоря, по причине принципиаль ной неточности измерения предсказания теории могут иметь лишь вероятн остный характер, причем вероятность является следствием принципиально й неполноты информации о движении частицы. Это обстоятельство привело к выводу о крушении принципа причинности в классическом смысле, предпола гавшим предсказание точных значений импульса и координаты. В рамках ква нтовой теории, таким образом, речь идет не об ошибках наблюдения или эксп еримента, а о принципиальном недостатке знаний, которые и выражаются с п омощью функции вероятности. Интерпретация квантовой теории, осуществленная Гейзенбергом, была раз вита Бором и получила название копенгагенской. В рамках данной интерпре тации основным положением квантовой теории выступает принцип дополнит ельности, означающий требование применять для получения в процессе поз нания целостной картины изучаемого объекта взаимоисключающие классы п онятий, приборов и исследовательских процедур, которые используются в с воих специфических условиях и взаимозаполняют друг друга. Данный принц ип напоминает соотношение неопределенностей Гейзенберга. Если речь ид ет об определении импульса и координаты как взаимоисключающих и взаимо дополняющих исследовательских процедур, то для отождествления этих пр инципов есть основания. Однако смысл принципа дополнительности шире, че м соотношения неопределенностей. Для того, чтобы объяснить устойчивост ь атома, Бор соединил в одной модели классические и квантовые представле ния о движении электрона. Принцип дополнительности, таким образом, позво лил классические представления дополнить квантовыми. Выявив противопо ложность волновых и корпускулярных свойств света и не найдя их единства , Бор склонился к мысли о двух, эквивалентных друг другу, способах описани я - волновом и корпускулярном - с последующем их совмещением. Так что точне е говорить о том, что принцип дополнительности выступает развитием соот ношения неопределенности, выражающих связи координаты и импульса. Ряд ученых истолковали нарушение принципа классического детерминизма в рамках квантовой теории в пользу индетернизма. В действительности же з десь принцип детерминизма изменял свою форму. В рамках классической физ ики, если в начальный момент времени известны положения и состояние движ ения элементов системы, можно полностью предсказать ее положение в любо й будущий момент времени. Все макроскопические системы были подчинены э тому принципу. Даже в тех случаях, когда приходилось вводить вероятности , всегда предполагалось, что все элементарные процессы строго детернизи рованы и что только их большое число и беспорядочность поведения застав ляет обращаться к статистическим методам. В квантовой теории ситуация п ринципиально иная. Для реализации принципов детернизации здесь необхо димо знать координаты и импульсы, и это соотношением неопределенности з апрещается. Использование вероятности здесь имеет иной смысл по сравне нию со статистической механикой: если в статистической механике вероят ности использовались для описания крупномасштабных явлений, то в квант овой теории вероятности, наоборот, вводятся для описания самих элемента рных процессов. Все это означает, что в мире крупномасштабных тел действ ует динамический принцип причинности, а в микромире - вероятностный прин цип причинности. Копенгагенская интерпретация предполагает, с одной стороны, описание э кспериментов в понятиях классической физики, а с другой - признание этих понятий неточно соответствующими действительному положению вещей. Име нно эта противоречивость и обусловливает вероятность квантовой теори и. Понятия классической физики составляют важную составную часть естес твенного языка. Если мы не будем использовать этих понятий для описания проводимых экспериментов, то мы не сможем понять друг друга. Идеалом классической физики является полная объективность знания. Но в познании мы используем приборы, а тем самым, как говорит Гейнзерберг, в оп исание атомных процессов вводится субъективный элемент, поскольку при бор создан наблюдателем. "Мы должны помнить, что то, что мы наблюдаем, - это н е сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она выявля ется благодаря нашему способу постановки вопросов научная работа в физ ике состоит в том, чтобы ставить вопросы о природе на языке, которым мы пол ьзуемся, и пытаться получить ответ в эксперименте, выполненном с помощью имеющихся у нас в распоряжении средств. При этом вспоминаются слова Бор а о квантовой теории: если ищут гармонии в жизни, то никогда нельзя забыва ть, что в игре жизни мы одновременно и зрители, и участники. Понятно, что в н ашем научном отношении к природе наша собственная деятельность станов ится важной там, где нам приходится иметь дело с областями природы, прони кнуть в которые можно только благодаря важнейшим техническим средства м" Классические представления пространства и времени также оказалось нев озможным использовать для описания атомных явлений. Вот что писал по это му поводу другой создатель квантовой теории: "существование кванта дейс твия обнаружило совершенно непредвиденную связь между геометрией и ди намикой: оказывается, что возможность локализации физических процессо в в геометрическом пространстве зависит от их динамического состояния. Общая теория относительности уже научила нас рассматривать локальные свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества во Вселенной. Однако существование квантов требует гораздо более глубо кого преобразования и больше не позволяет нам представлять движение фи зического объекта вдоль определенной линии в пространстве-времени (мир овой линии). Теперь нельзя определить состояние движения, исходя из крив ой, изображающей последовательные положения объекта в пространстве с т ечением времени. Теперь нужно рассматривать динамическое состояние не как следствие пространственно-временной локализации, а как независимы й и дополнительный аспект физической реальности" Дискуссии по проблеме интерпретации квантовой теории обнажили вопрос о самом статусе квантовой теории - является ли она полной теорией движен ия микрочастицы. Впервые вопрос таким образом был сформулирован Энштей ном. Его позиция получила выражение в концепции скрытых параметров. Эйнш тейн исходил из понимания квантовой теории как статистической теории, к оторая описывает закономерности, относящиеся к поведению не отдельной частицы, а их ансамбля. Каждая частица всегда строго локализована, однов ременно обладает определенными значениями импульса и координаты. Соот ношение неопределенностей отражает не реальное устройство действител ьности на уровне микропроцессов, а неполноту квантовой теории - просто н а ее уровне мы не имеем возможности одновременно измерять импульс и коо рдинату, хотя они в действительности существуют, но как скрытые параметр ы (скрытые в рамках квантовой теории). Описание состояния частицы с помощ ью волновой функции Эйнштейн считал неполным, а потому и квантовую теори ю представлял в виде неполной теории движения микрочастицы. Бор в данной дискуссии занял противоположную позицию, исходящую из приз нания объективной неопределенности динамических параметров микрочас тицы как причины статистического характера квантовой теории. По его мне нию, отрицание Энштейном существования объективно неопределенных вели чин оставляет необъясненным присущие микрочастице волновые черты. Воз врат к классическим представлениям движения микрочастицы Бор считал н евозможным. В 50-х гг. ХХ века Д.Бом вернулся к концепции волны-пилота де Бройля, представ ив пси-волну в виде реального поля, связанного с частицей. Сторонники коп енгагенской интерпретации квантовой теории и даже часть ее противнико в позицию Бома не поддержали, однако она способствовала более углубленн ой проработке концепции де Бройля: частица стала рассматриваться в виде особого образования, возникающего и движущегося в пси-поле, но сохраняющ его свою индивидуальность. Работы П.Вижье, Л.Яноши, разрабатывавших данн ую концепцию, были оценены многими физиками как слишком "классичными". В отечественной философской литературе советского периода копенгаген ская интерпретация квантовой теории была подвергнута критике за "приве рженность к позитивистским установкам" в трактовке процесса познания. О днако рядом авторов отстаивалась справедливость копенгагенской интер претации квантовой теории. Смена классического идеала научного познан ия неклассическим сопровождалась пониманием того, что наблюдатель, пыт аясь построить картину объекта, не может отвлечься от процедуры измерен ия, т.е. исследователь оказывается не в состоянии измерять параметры изу чаемого объекта такими, какими они были до процедуры измерения. В.Гейзен берг, Э.Шредингер и П.Дирак положили принцип неопределенности в основу к вантовой теории, в рамках которой частицы уже не имели определенных и не зависящих друг от друга импульса и координат. Квантовая теория, таким об разом, внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности. И хотя Эйн штейн не смог согласиться с этим, квантовая механика согласовывалась с э кспериментом, а потому стала основой многих областей знания. е) Квантовая статистика Одновременно с развитием волновой и квантовой механики развивалась др угая составная часть квантовой теории - квантовая статистика или статис тическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. На основе классических законов движения отдельных частиц была создана те ория поведения их совокупности - классическая статистика. Аналогично эт ому на основе квантовых законов движения частиц была создана квантовая статистика, описывающая поведение макрообъектов в случаях когда закон ы классической механики не применимы для описания движения составляющ их их микрочастиц - в данном случае квантовые свойства проявляются в сво йствах макрообъектов. Важно иметь в виду, что под системой в данном случа е понимаются лишь взаимодействующие друг с другом частицы. Квантовая си стема при этом не может рассматриваться как совокупность частиц, сохран яющих свою индивидуальность. Иными словами, квантовая статистика требу ет отказа от представления различимости частиц - это получило название п ринципа тождественности. В атомной физике две частицы одной природы счи тались тождественными. Однако эта тождественность не признавалась абс олютной. Так, две частицы одной природы можно было различать хотя бы мысл енно. В квантовой статистике возможность различить две частицы одинаковой п рироды полностью отсутствует. Квантовая статистика исходит из того, что два состояния системы, которые отличаются друг от друга лишь перестанов кой двух частиц одинаковой природы, тождественны и неразличимы. Таким об разом, основное положение квантовой статистики - принцип тождественнос ти одинаковых частиц, входящих в квантовую систему. Этим квантовые систе мы отличаются от классических систем. Во взаимодействии микрочасти важная роль принадлежит спину - собственн ому моменту количества движения микрочастицы. (В 1925 г. Д.Уленбеком и С.Гаудс митом впервые было открыто существование спина у электрона). Спин д элек тронов, протонов, нейтронов, нейтрино и др. частиц выражается полуцелой в еличиной, у фотонов и пи-мезонов - целочисленной величиной (1 или 0). В зависи мости от спина микрочастица подчиняется одному из двух разных типов ста тистики. Системы тождественных частиц с целым спином (бозоны) подчиняютс я квантовой статистике Бозе-Эйнштейна, характерной особенностью котор ой является то, что в каждом квантовом состоянии может находиться произв ольное число частиц. Данный тип статистики был предложен в 1924 г. Ш.Бозе и за тем усовершенствована Энштейном). В 1925 г. для частиц с полуцелым спином (фер мионов) Э.Ферми и П.Дирак (независимо друг от друга) предложили другой тип квантовой статики, получивший имя Ферми-Дирака. Характерной особенност ью этого типа статики является то, что в каждом квантовом состоянии може т находиться произвольное число частиц. Это требование называется прин ципом запрета В.Паули, который был открыт в 1925 г. Статистика первого типа по дтверждается при исследовании таких объектов, как абсолютно черное тел о, второго типа - электронный газ в металлах, нуклоны в атомных ядрах и т.д. Принцип Паули позволил объяснить закономерности заполнения электрона ми оболочек в многоэлектронных атомах, дать обоснование периодической системе элементов Менделеева. Этот принцип, выражает специфическое сво йство частиц, которые ему подчиняются. И сейчас трудно понять, почему две тождественные частицы взаимно запрещают друг другу занимать одно и то ж е состояние. Подобного типа взаимодействия в классической механике не с уществует. Какова его физическая природа, каковы физические источники з апрета - проблема, ждущая разрешения. Сегодня ясно одно: физическая интер претация принципа запрета в рамках классической физики невозможна. Важным выводом квантовой статистики является положение о том, что части ца, входящая в какую-либо систему, не тождественна такой же частице, но вхо дящей в систему другого типа или свободную. Отсюда следует важность зада чи выявления специфики материального носителя определенного свойства систем. ж) Квантовая теория поля Квантовая теория поля представляет собой распространение квантовых пр инципов на описание физических полей в их взаимодействиях и взаимопрев ращениях. Квантовая механика имеет дело с описанием взаимодействий сра внительно малой энергии, при которых число взаимодействующих частиц со храняется. При больших энергиях взаимодействия простейших частиц (элек тронов, протонов и т.д.) происходит их взаимопревращение, т.е. одни частицы исчезают, другие рождаются, причем число их меняется. Большинство элемен тарных частиц нестабильно, спонтанно распадается до тех пор, пока не обр азуются стабильные частицы - протоны, электроны, фотоны и нейтроны. При ст олкновениях элементарных частиц, если энергия взаимодействующих части ц достаточно велика, происходит множественное рождение частиц различн ого спектра. Поскольку квантовая теория поля предназначена для описани я процессов при высоких энергиях, поэтому должна удовлетворять требова ниям теории относительности. Современная квантовая теория поля включает три типа взаимодействия эл ементарных частиц: слабые взаимодействия, обусловливающие главным обр азом распад неустойчивых частиц, сильные и электромагнитные, ответстве нные за превращение частиц при их столкновении. Квантовая теория поля, описывающая превращение элементарных частиц, в о тличие от квантовой механики, описывающей их движение, не является после довательной и завершенной, она полна трудностей и противоречий. Наиболе е радикальным способом их преодоления считается создание единой теори и поля, в основу которой должен быть положен единый закон взаимодействи я первичной материи - из общего уравнения должен выводиться спектр масс и спинов всех элементарных частиц, а также значения зарядов частиц. Таки м образом, можно сказать, что квантовая теория поля ставит задачу вырабо тки более глубокого представления об элементарной частице, возникающе й за счет поля системы других элементарных частиц. Взаимодействие электромагнитного поля с заряженными частицами (главны м образом электронами, позитронами, мюонами) изучается квантовой электр одинамикой, в основе которой лежит представление о дискретности электр омагнитного излучения. Электромагнитное поле состоит из фотонов, облад ающих корпускулярно-волновыми свойствами. Взаимодействие электромагн итного излучения с заряженными частицами квантовая электродинамика ра ссматривает как поглощение и испускание частицами фотонов. Частица мож ет испустить фотоны, а затем поглотить их. Итак, отход квантовой физики от классической заключается в отказе от тог о, чтобы описывать индивидуальные события, происходящие в пространстве и времени, и использовании статистического метода с его волнами вероятн ости. Цель классической физики заключается в описании объектов в простр анстве и времени и в формировании законов, которые управляют изменением этих объектов во времени. Квантовая физика, имеющая дело с радиоактивным распадом, дифракцией, испусканием спектральных линий и тому подобными я влениями, не может удовлетвориться классическим подходом. Суждение тип а "такой-то объект имеет такое-то свойство", характерное для классической механики, в квантовой физике заменяется суждением типа "такой-то объект имеет такое-то свойство с такой-то степенью вероятности". Таким образом, в квантовой физике имеют место законы, управляющие изменениями вероятно сти во времени, в классической же физике мы имеем дело с законами, управля ющими изменениями индивидуального объекта во времени. Разные реальнос ти подчиняются различным по характеру законам. Квантовая физика в развитии физических идей и вообще стиля мышления зан имает особое место. К числу величайших созданий человеческого ума относ ится, несомненно и теория относительности - специальная и общая, предста вляющая собой новую систему идей, объединившую механику, электродинами ку и теорию тяготения и давшую новое понимание пространства и времени. Н о это была теория, которая в определенном смысле была завершением и синт езом физики XIX века, т.е. она не означала полного разрыва с классическими те ориями. Квантовая же теория порывала с классическими традициями, она соз дала новый язык и новый стиль мышления, позволяющий проникать в микромир с его дискретными энергетическими состояниями и дать его описание с пом ощью введения характеристик, отсутствовавших в классической физике, чт о в конечном счете позволило понять сущность атомных процессов. Но вмест е с тем квантовая теория внесла в науку элемент непредсказуемости, случа йности, чем она отличалась от классической науки. 4. Концепции физи ки атомных и ядерных процессов а) Модели атома Решающим моментом в развитии теории строения атома был о открытие электрона. Наличие в электрически нейтральном атоме отрицат ельно заряженной частицы побуждало предполагать наличие частицы с пол ожительным зарядом. Модель Д.Томсона, не будучи в состоянии объяснить ха рактер атомных спектров, излучаемых атомами, уступила место планетарно й модели Э.Резерфорда. Исследуя рассеяние атомами вещества альфа-частиц , излучаемых радиоактивными веществами, он открыл атомное ядро и построи л планетарную модель атома. Оказалось, что атом состоит не из положитель но заряженного облака, в котором (подобно изюму в булке) находятся электр оны, как это предполагал Д.Томсон, а из электрона и ядра размером около 10 -13 см., в котором сосредоточена почти вс я масса атома. Атом подобен Солнечной системе: в центре него находится тя желое ядро, вокруг него вращаются электроны. Однако, согласно электродин амике Максвелла, такой атом не может быть устойчивым: двигаясь по кругов ым (или эллиптическим) орбитам, электрон испытывает ускорение, а поэтому он должен излучать электромагнитные волны, несущие энергию. Потеря энер гии приведет электрон к падению на ядро. Таким образом, подобный атом не м ожет быть устойчивым, а потому в реальности не может существовать. Таким образом, классическая физика не могла найти объяснения устойчивости ат омов. Разработка следующей модели атома принадлежит Н.Бору. Взяв за основу мод ель Резерфорда, он использовал и идеи квантовой теории. Бор выдвинул пре дположение, согласно которому в атомах существуют особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают - излучение происходит лишь п ри переходе из одного стационарного состояния в другое. Внутреннее строение атома изучать непосредственно невозможно, посколь ку микроскопические размеры недоступны прямому восприятию, поэтому о с труктуре атома можно судить по ее косвенным проявлениям макроскопичес кого масштаба. Таким проявлением является излучение атомов под воздейс твием нагрева или внешнего электрического поля. Изучение спектров излу чения позволяет получить данные о внутренней структуре атома - для каждо го атома характерны особенности спектра. Классическая физика не могла о бъяснить законы, которым подчинялись атомные спектры. Модель Бора выяви ла истинное значение спектральных законов и позволила установить, как э ти законы отражают квантовый характер внутренней структуры атома - усто йчивость структуры атома оказалась неразрывно связанной с существован ием квантов. В модели Бора каждый атом обладает некоторой последователь ностью квантовых (стационарных) состояний. Каждый вид атома имеет свою п оследовательность квантовых значений энергии, соответствующих различ ным возможным стационарным состояниям. Вывод о том, что в устойчивом сос тоянии атом не должен излучать, не соответствовал данным классической э лектродинамики, согласно которым электроны, движущиеся с ускорением, до лжны были непрерывно излучать электромагнитные волны. Бор и предположи л, что каждая спектральная линия соответствует мгновенному переходу ат ома из одного квантового состояния в другое, которое характеризуется ме ньшим значением энергии. Избыток энергии при этом уносится в виде отдель ных квантов (фотонов). Модель атома Бора показала свою плодотворность в применении к атому вод орода, позволив понять структуру оптического спектра. Но попытка примен ить данную модель к более сложным атомам, имеющим большее число электрон ов, выявила ограниченность данной модели - результаты ее применения лишь весьма приблизительно соответствовали данным эксперимента. Кроме тог о, модель атома Бора располагала методом квантования действия лишь для о дномерного движения (предложенного еще Планком). Поэтому необходимо был о найти методы квантования для случаев многомерного движения. Этот мето д был найден в 1916 г. Ч.Вильсоном и А.Зоммерфельдом (почти одновременно друг с другом) и использован для решения тех задач, которые не могли быть решен ы с помощью модели атома Бора. Таким путем была создана концепция тонкой структуры линии спектра. Излучение линий спектра водорода с помощью спе ктрографов с высокой разрешающей способностью позволило выявить тонку ю структуру спектра - оказалось, что спектральные линии сами состоят из р яда близко расположенных друг к другу линий. Зоммерфельд высказал предп оложение о связи тонкой структуры спектральных линий с релятивистским и эффектами и предположил вместо уравнений ньютоновской механики испо льзовать уравнения релятивистской механики. Предположения Зоммерфель да дали результаты, согласуемые с экспериментальными данными. Вместе с т ем полученная Зоммерфельдом картина спектральных линий оказалась знач ительно беднее реальной, поэтому его модель не могла дать достаточно пол ные объяснения тонкой структуры спектральных линий. Для модели атома Бора основополагающим является утверждение о том, что э лектроны внутри атома могут находиться лишь в стационарных состояниях, которые соответствуют определенным квантовым значениям энергии. Следо вательно, существуют определенные энергетические уровни, на которых на ходятся электроны. Как известно, атом каждого последующего элемента име ет на один электрон больше, чем предыдущего. Значит, по мере возрастали ат омного номера усложняется структура электронных оболочек атомов. На ос нове знания этой структуры можно устанавливать физические и химически е свойства элементов. В периодической системе Д.И.Менделеева элементы ра сположены в порядке возрастали атомного веса, причем в расположенных та ким образом элементах обнаруживается определенная периодичность в хим ических свойствах этих элементов. Физическая природа этой периодичнос ти оказывается весьма сложной. Теория атома должна иметь возможность об ъяснить эту природу. Для этого модель Бора необходимо было дополнить тре бованием, чтобы на одном энергетическом уровне могло находиться лишь ог раниченное число электронов (явление насыщения энергетического уровня электронами). Если бы данного насыщения не существовало, то в нормальном ( стабильном) состоянии атома все электроны атома были бы на низшем уровне , который соответствует наименьшей энергии. Но вследствие насыщения уро вней подобная ситуация оказывается невозможной. Двигаясь по периодической системе элементов, можно видеть, как постепен но заполняются друг за другом низшие энергетические уровни - как только низший уровень оказывается заполненным, настает очередь следующего ур овня. Тонкая структура спектральных линий при этом свидетельствует о ра сщеплении энергетических уровней электронов внутри атома на ряд подур овней. Заполняющие эти уровни подуровни электроны (обладающие почти оди наковой энергией) образуют оболочку. При заполнении друг за другом после дующих уровней, таким образом, образуются различные оболочки. Изменяема я при движении по таблице Менделеева периодичность свойств объясняетс я характером заполнения оболочек электронами. Таким образом, исследова ние спектров играет огромную роль в изучении внутренней структуры атом а. Модель Бора, позволяя определить частоту излучения, не давала возможнос ти определять интенсивность излучения и его поляризацию, что совершенн о необходимо для уточнения природы излучения, которое возникает при пер еходах электронов внутри атома из одного стационарного состояния в дру гое. Бор этот недостаток пытался устранить с помощью принципа соответст вия. Кроме того, модель Бора была непоследовательной: отвергая ряд полож ений классической механики и электродинамики, она использовала как кла ссические понятия и формулы, так и квантовые. Бор понимал ограниченный х арактер собственной модели атома. Принцип соответствия указывал на одн о из новых направлений. Однако впоследствии, с созданием квантовой механ ики, было выяснено, что при описании строения атома классические предста вления не могут иметь места. б) Структура атомного ядра Исследование структуры атома поставило вопрос о том, что представляет с обой ядро, какова его структура. В ядре сосредоточена почти вся масса ато ма (масса электронов, входящих в атом, пренебрежительно мала по сравнени ю с массой ядра), оно имеет положительный заряд, эквивалентный суммарном у заряду входящих в него электронов. Заряд ядра любого элемента равен ег о порядковому номеру в периодической системе элементов. Проблема струк туры атомного ядра получила разрешение с открытием в 1932 году Д.Чедвиком н ейтрона - третьей элементарной частицы после электрона и протона. Масса нейтрона близка к массе протона. Электрический заряд у протона отсутств ует Д.Д.Иваненко сформулировал протоно-нейтронную концепцию строения а томного ядра, которую затем разработал В.Гейзенберг. Ядра, состоящие из п ротонов и нейтронов получили название нуклонов. В том же 1932 году в космиче ских лучах К.Андерсоном был открыт позитрон - положительно заряженный эл ектрон, обеспечивший симметрию между положительным и отрицательным за рядами во взаимоотношениях частиц. Его существование было предсказано П.Дираком, исходившим из того, что положительные заряды во Вселенной пре дставляют собой своего рода недостающие части мирового отрицательного заряда - позитрон есть "дырка" в распределении электронов с отрицательно й энергией. Столкновение электрона и позитрона приводит к аннигиляции - их превращению в два фотона, испускаемые в противоположных направления х. в) Процессы ядерного превращения Следующий вопрос, который встал перед физиками после выявления структу ры атомного ядра, касался сил, скрепляющих нуклоны в ядре. В связи с его ра сширением выяснилось, что взаимоотношения между нейтроном и протоном н е столь просты, как казалось вначале. Оказалось, что точнее говорить о стр уктуре атомного ядра, состоящей из протонов, нейтронов и мезонов. Мезоны, существование которых было в 1935 году предсказано Г.Юкавой и открыто Ч.Анд ерсоном и С.Неддермейером, и оказались силами притяжения, которые по вел ичине превосходят электрические силы, действующие между одноименно за ряженными протонами. Ядерные силы - это вид основных физических сил, дейс твующих в природе, наряду с гравитационными и электромагнитными. Из всех названных частиц нейтрон оказался наиболее пригодным для осуще ствления процесса ядерного превращения, поскольку ввиду отсутствия у н его заряда он способен глубже проникнуть в вещество, входить в положител ьно заряженные ядра атомов, которые отталкивают положительно заряженн ые протоны и альфа-частицы. Благодаря этому в краткий срок было изучено д ействие нейтронов на различные ядра, что привело к открытию искусственн ой радиоактивности. Решающее достижение в этой области принадлежит Ф.Жо лио Кюри и И.Кюри, установившим, что почти все подвергнутые бомбардировк е атомы становятся радиоактивными. Это означало, что естественная радио активность является лишь остаточной активностью атомов, которые еще не успели достичь устойчивых состояний. Знание атомных превращений могло помочь объяснить, каким образом возникли элементы. Начавшееся с 30-х гг. ХХ века создание ускорителей дало возможность повыси ть эффективность исследований в этой области. Х.А.Бете и Г.А.Гамов способс твовали установлению вероятных циклов термоядерных реакций, являющихс я источниками внутризвездной энергии. Стало ясно, что источником больше й части энергии Вселенной являются ядерные процессы. Встала задача выяс нения механизма высвобождения этой энергии. Э.Ферми, подвергнув бомбард ировке нейтронами тяжелые элементы, обнаружил огромную эффективность медленных нейтронов. О.Ган и Ф.Штрасман открыли деление ядер урана под де йствием нейтронов. О.Ган и Л.Мейтнер исследовали продукты распада облуче нного урана и отыскали среди них элементы до атомного номера 96. Деление яд ер стало установленным фактом. Тяжелые ядра могут иметь больше нейтронов по отношению к числу протонов по сравнению с легкими ядрами. При расщеплении атома урана освобождаетс я несколько нейтронов. Так открылась возможность цепной реакции. Если в ходе ядерного процесса можно было добиться получения больше чем одного эффективного нейтрона на каждый первоначально затраченный нейтрон, ре акция убыстрялась. И если этим процессом не управлять, а дать возможност ь развиваться, то он приводил к взрыву. В случае же управления мы имеем дел о с ядерным реактором. Все это привело к созданию Ферми ядерного реактор а, осуществлению цепной реакций деления ядер, атомного и термоядерного о ружия, атомных электростанций. (О перипетиях всего этого можно познакоми ться в специальной литературе). В истории человечества началась новая ат омная эра, открытая атомной физикой. Считается, что реализация концепций атомной ядерной физики стала приме ром самого быстрого практического применения науки. Оценивая это, Д.Берн ал писал: "Если бы это открытие было совершено в более спокойные времена XIX века, оно разрабатывалось бы в конечном счете для практического примене ния и, быть может, лет через 50 или около того нашло бы свое воплощение в новы х машинах для выработки энергии. Отсутствие материальной заинтересова нности и тот факт, что капиталы были вложены в уже существовавшие источн ики энергии, могли бы, однако, еще на бесконечно долгое время задержать ра звитие производства атомной энергии. Но, как известно, открытие ядерного деления произошло в канун новой мировой войны. По счастью для правитель ства Англии и Америки, некоторые из тех, кто был изгнан из своей родины нац истами и фашистами, отдавали себе ясный отчет в военных возможностях сде ланного открытия. Однако более удивительным было, быть может, то обстоят ельство, что им удалось убедить военные и гражданские власти в необходим ости крайне энергичной разработки проекта, главным образом потому, что е сли бы они этого не сделали, то противник, несомненно, первым создал бы сво ю бомбу“. Так или иначе, появление подобных научных концепций не только определяет характер современной эпохи, но и будущее общества. Поя вление концепций, неумение распорядится которыми может грозить уничто жением человечества, активно влияет на характер и формы и формы социальн ого устройства. Человечество, высвободив колоссальные силы, теперь обре чено постоянно думать над тем, как распорядиться ими. Эта проблема челов ечества в практически обозримое время - вечная. Поэтому человечество дол жно научиться жить с этой проблемой. 5. Концепции физи ки элементарных частиц а) Современный с татус понятия Элементарной частицы Представление о том, что все во Вселенной делится на вещество и силы, быту ющие и в настоящее время, возникло давно. Еще Аристотель (см. раздел "Арист отельская физика") полагал, что на вещество, состоящее из земли, воздуха, о гня и воды, действуют две силы: сила тяжести и сила легкости. Первая влечет землю и воду вниз, вторая поднимает огонь и воздух вверх. Аристотелю веще ство представлялось непрерывным, а Демокриту - зернистым, состоящим из а томов. Спор между сторонниками данных концепций дошел до ХХ века. В его ра зрешении важный вклад принадлежит Эйнштейну, который в 1905 г. (еще до публик ации статьи о специальной теории относительности) высказал предположе ние, что броуновское движение (нерегулярное, хаотическое движение мельч айших частичек, взвешенных в воде) можно объяснить ударами атомов жидкос ти об эти частички. Как было показано ранее, первая попытка доказать стру ктурированность атома предпринял Дж.Томсон. В 1911 г. Э.Резерфорд доказал, чт о атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг не го, отрицательно заряженных электронов. В 1932 г. Дж.Чэдвик обнаруживает, что ядро кроме положительного протона содержит не заряженный нейтрон с мас сой почти равной массе протона. В 1969 г. эксперименты М.Гелл-Мана по взаимоде йствию движущихся с большими скоростями протонов и электронов показыв ают, что протоны состоят из Кварков. Таким образом, было установлено, что н и атомы, ни протоны, ни нейтроны не являются неделимыми. Перед физиками и в стал вопрос: что же считать элементарными частицами? Может быть при пере ходе к еще большим энергиям и эти элементарные частицы окажутся делимым и? Таким образом, понятие элементарных частиц в настоящее время утратило с вой первоначальный смысл как частиц далее неразложимых, поскольку мног ие из частиц, считавшихся элементарными, имеют сложную структуру (наприм ер, протоны и нейтроны). Но осталась сама идея о существовании элементарн ых частиц. Термин "элементарные частицы" сейчас употребляется в менее ст рогом значении, а именно для названия большой группы мельчайших частиц м атерии, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона - простейшего ядра атома водорода). Их число велико (с нестабильны ми частицами насчитывается более 350) и продолжает расти. В процессе исследования выявленных элементарных частиц устанавливали сь их свойства. У электронов и протонов были выявлены масса, размеры, элек трический разряд, механический и магнитный момент. В рамках теории Бора были установлены механический и магнитный моменты электрона и протона, являвшихся чисто квантовыми свойствами. Было установлено, что спин - соб ственный момент количества микрочастицы, имеющий квантовую природу и и змеряемый в единицах Планка, - может быть целым (0,1,2...) или полуцелым (1/2, 3/2...). Исследование бета-распада позволило открыть новое свойство элементарн ых частиц - их превращаемости друг в друга: при бета-распаде из ядра вылета ет электрон, который рождается в результате превращения нейтрона в прот он и электрон. Было обнаружено при этом, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, обладают различными скоростями и энергией, а оставшиес я после бета-распада ядра обладают примерно одинаковой энергией. Измере ния установили, что в случае вылета медленных электронов баланс энергии при бета-распаде не сохраняется, что казалось нарушением закона сохране ния в микропроцессах. Идея существования нейтрино, рождающегося при бет а-распаде и уносящего недостающую энергию, сохранило справедливость за кона сохранения энергии и в микромире. Открытие превращения нейтрона в п ротон и нейтрон положило начало открытиям других форм превращения элем ентарных частиц друг в друга. Следующим выявленным свойством элементарных частиц была способность о пределенных частиц взаимодействовать друг с другом. В классической физ ике электрическое взаимодействие между заряженными частицами осущест вляется с помощью электромагнитного поля. С точки зрения квантовой физи ки взаимодействие частиц есть процесс обмена фотонами, в котором фотоны пропадают, отдавая свою энергию заряженным частицам. По аналогии с образ ованием фотонов появилась идея о том, что подобным образом могут рождать ся и электроны. Поиски сил, связывающих в ядре протоны и нейтроны, побудил и И.Е.Тамма и Д.Д.Иваненко предположить, что ядерные силы есть результат об мена электронами между нуклонами. Эксперимент эту гипотезу не подтверд ил. Юкава показал, что ядерные силы могут быть объяснены как результат об мена между нуклонами частицами с массой больше массы электрона и меньше й массы нуклонов (частицы получили название мезонов-промежуточных част иц), которые и были обнаружены в космических лучах. Переносчиками ядерны х сил оказались положительно и отрицательно заряженные мезоны с массой, равной 273 массам электрона, получившие название -мезонов или пионов. У нейтральных мезонов м асса оказалась равной 264 массам электрона. Дирак высказал мысль о существовании античастицы для электрона, котора я была открыта и названа позитроном. Оказалось, что свойством элементарн ых частиц является существование античастиц , имеющих противоположный заряд и противоположно направленные механический и магнитный моменты. При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. их у ничтожение с возникновением других частиц. Так, столкновение электрона и позитрона дает два фотона, протона и антипротона - четыре мезона и т.д. У частиц было установлено также свойство спонтанного превращения. Элем ентарные частицы имеют "время жизни" - среднее время своего существовани я. В настоящее время к числу стабильных частиц с бесконечным временем су ществования относят электроны и позитроны. К стабильным относят также п ротоны и антипротоны (хотя высказываются соображения о конечном сроке ж изни протонов), а также нейтрино, антинейтрино, фотоны. К настоящему време ни назрела необходимость в классификации элементарных частиц (подобно й периодической системе Д.И.Менделеева). Эта работа далеко не завершена. б) Современные представления о характере фундамента льных физических взаимодействий и типах элементарных частиц В физике под взаимодействием понимается воздействие т ел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движени я. В механике Ньютона взаимодействия характеризуются силой, более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия. В тра ктовке взаимодействия исторически сменяли друг друга разные концепции . Первой возникла концепция дальнодействия, сущность которой заключает ся в представлении, что взаимодействие между телами может осуществлять ся непосредственно через пустое пространство, которое участвует в пере даче взаимодействия не принимает, причем передача взаимодействия прои сходит мгновенно. После открытия электромагнитного поля возникла конц епция близкодействия. Было установлено, что взаимодействие электричес ки заряженных частиц осуществляется не мгновенно, а с некоторой конечно й скоростью, равной скорости света. Электромагнитное поле выступает пос редником, осуществляющим передачу взаимодействия между электрически з аряженными частицами. Данная концепция была перенесена и на другие взаи модействия. В рамках данной концепции взаимодействия между телами осущ ествляется посредствам разнообразных полей. В рамках квантовой теории трактовке взаимодействия был придан квантовый характер. Поскольку каж дое тело состоит из квантов, то, например, электромагнитное взаимодейств ие осуществляется путем обмена фотонами и т.п. Существует четыре разновидности взаимодействия (сил), которые физики на деются представить как проявление одной и той же силы (взаимодействия). О казалось. что классификацию элементарных частиц удобнее всего осущест влять по типам их взаимодействий. Все известные частицы принято разделять на две группы, в одну из которых входят частицы со спином 1/2 (из них состоит вещество Вселенной), а в другую - частицы со спином 0, 1 и 2 (создающие силы, действующие между частицами вещес тва).Первые подчиняются принципу запрета Паули, (гласящему, что две одина ковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии). Если бы не действовал принцип Паули, кварки не смогли бы объединится в протоны и не йтроны, которые, в свою очередь, вместе с электронами не смогли бы объедин иться в атомы. В 1928 г. П.Дирак разработал теорию, описывающую эти частицы, ко торая согласовывалась и с квантовой механикой, и со специальной теорией относительности. Теория объяснила, почему электрон со спиной 1/2 при одном полном обороте не возвращается в прежнее положение и возвращается в нег о лишь при двукратном обороте. Эта теория предсказывала также существов ание позитрона (антиэлектрона). Оказалось, что каждой частице соответств ует античастицы, которые при столкновении аннигилируют (уничтожаются). Силы между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным с пином, равным 0, 1 или 2. Эти частицы-переносчики не подчиняются принципу зап рета Паули. Это значит, что ограничения для числа обмениваемых частиц от сутствуют, поскольку возникающая сила взаимодействия может быть больш ой: Первая из них - гравитационная сила, имеющая универсальный характер. Люб ая частица находится под действием гравитационной силы. Ее величина зав исит от массы или энергии частицы. Гравитационная сила действует на боль ших расстояниях и всегда выступает как сила притяжения. Гравитационные силы по сравнению с другими очень слабые. Считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами, переносится частицей со спином 2 (ее называют гравитон). Гравитон собственной массой не обладает, поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Считается, что гравито ны распространяются в виде гравитационных волн, которые пока зафиксиро вать не удается вследствие их слабой силы. Вторая сила - электромагнитная, действующая между электрическими заряж енными частицами. Электромагнитные взаимодействия значительно сильне е гравитационных. Существуют два вида электрического заряда - положител ьный и отрицательный. Между двумя положительными или отрицательными за рядами действует сила отталкивания, между положительным и отрицательн ым - сила притяжения. В больших телах электромагнитная сила слаба, поскол ьку в них положительных и отрицательных зарядов почти одинаково и они ко мпенсируют друг друга. В малых масштабах ситуация иная - в атомах и молеку лах доминируют электромагнитные силы. Третий тип - слабое взаимодействие, отвечающее за радиоактивность и суще ствующее между всеми частицами вещества со спином 1/2 - в нем не участвуют ч астицы со спином 0, 1, 2 (фотоны и гравитоны). В1967 г. А.Салам и С.Вайнберг разработ али теорию, объединяющую слабое взаимодействие и электромагнитное (под обно объединению Максвеллом электричества и магнетизма). (Несколько поз же к ним присоединился Ш.Глэшоу.) Теория предсказывала, что частицы, совер шенно различные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются о дной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Четвертый тип - сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки вну три протона и нейтрона, а протоны и нейтроны - внутри атомного ядра. Перено счиком этого типа взаимодействия считается частица со спином 1 - глюон. Гл юоны взаимодействуют лишь с глюонами и кварками. Существует идея объединить электромагнитное, слабое и сильное взаимод ействия в теорию великого объединения (на самом деле она не столь велика я, поскольку не учитывает гравитацию, но создание такой теории явилось б ы шагом на пути к созданию полной теории объединения, охватывающей все ч етыре типа взаимодействия - подробнее о концепции объединения физики см . раздел 6). Идея великого объединения заключается в следующем. Известно, ч то сильные взаимодействия при высоких энергиях становятся слабее, чем п ри низких. Электромагнитные же и слабые силы при высоких энергиях растут . При каком-то очень большом значении энергии эти три силы могли бы сравня ться между собой и стать разновидностями одной силы - при этом частицы со спином 1/2 (кварки и электроны) перестали бы различаться. Препятствие на эт ом пути заключается в том, что для ускорения частиц до такой энергии пона добился бы ускоритель размером с Солнечную систему. ] Так что возможности экспериментально проверить теорию великого объединения нет. Однако возможна проверка низкоэнергетическ их следствий. Одно из таких следствий - возможность распада протонов, сос тавляющих большую часть массы обычного вещества на более легкие частиц ы (антиэлектроны). Такого рода эксперименты, позволяющие дать определенные сведения о рас паде протона, затруднены. Однако, как полагает С.Хокинг, не исключено, что само наше существование есть следствие обратного процесса - процесса об разования протонов или кварков на самой начальной стадии, когда кварков не больше, чем антикварков. Он полагает, что такая картина начала Вселенн ой выглядит наиболее естественной. Ведь земное вещество в основном сост оит из протонов и нейтронов, состоящих в свою очередь из кварков. В нашей Г алактике тоже нет ни антипротонов, ни антинейтронов (за исключением тех случаев, когда они рождаются в столкновениях частицы и античастицы при в ысоких энергиях) - если бы наша Галактика имела участки антивещества, то н а границе раздела вещества и антивещества наблюдалось бы излучение выс окой энергии вследствие аннигиляции. В пределах одной Галактики смеси в ещества и антивеществ быть не может. Поэтому более вероятно предположен ие о том, что все галактики состоят из кварков, а не из антикварков. Но почему при образовании Вселенной кварков стало больше, чем антикварк ов? Ранее считалось, что законы физики одинаковы для частиц и античастиц, т.е. все процессы в природе не меняются (симметричны) при одновременном пр оведении трех преобразований: переходе от частиц к античастицам (зарядо вое сопряжение или преобразование симметрии С), зеркальном отражении (пр остранственная инверсия или преобразование симметрии Р) и замене време ни t на -t (обращение времени или преобразование симметрии Т). в) Связь принципов симметрии физической системы и законов сохранения (теорема Э.Нетер) Считается, что физические теории по начальному состоянию о бъекта определяет его поведение в будущем. Принципы симметрии (инвариан тности) носят общий характер, т.е. им подчиняются все физические теории. Си мметрия физических законов относительно некоторого преобразования оз начает, что при осуществлении данного преобразования эти законы не меня ются. Именно поэтому принципы симметрии оказывается возможным устанав ливать на основании известных физических законов. В 1918 г. Э.Нетер была сфор мулирована теорема, устанавливающая связь между свойствами симметрии физической системы и законами сохранения: если свойства системы не меня ются при каком-либо преобразовании переменных, то этому соответствует с охранение некоторой физической величины - независимости свойств систе мы от выбора начала отсчета времени соответствует закон сохранения эне ргии. Однако, если теория какого-либо физического явления еще не построе на, те симметрии, которые были открыты на опыте, имеют для построения теор ии большое значение. Отсюда вполне понятна важность экспериментально у становленных симметрий сильно взаимодействующих элементарных частиц - адронов, теория которых еще не построена. В 1956 г. Г.Ли и Ч.Янг показали, что на самом деле законы физики не совсем одинак овы для частиц и античастиц. Оказалось, что слабые взаимодействия не под чиняются симметрии Р и симметрии С. Это означало, что в результате слабог о взаимодействия развитие Вселенной может быть иным, чем развитие ее зер кального изображения, что Вселенная, состоящая из античастиц будет вест и себя иначе, чем наша Вселенная, состоящая из частиц. Была надежда на то, ч то слабое взаимодействие должно все же подчиняться комбинированной си мметрии, т.е., иначе говоря развитие Вселенной должно происходить так, как и развитие ее зеркального отражения, если, отразив Вселенную в зеркале, з аменить каждую частицу античастицей. Однако и эта надежда рухнула, когда Д.Кронин и В.Фитч в 1964 г. обнаружили, что нарушается и комбинированная (С Р) с имметрия. (С - замена частицы античастицей; Р - зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами; Т - изменение направления движения всех частиц на обратное.) С Р Т - теорема утверждала, что любая теория, подчиняющ аяся принципам квантовой механики и теории относительности, всегда дол жна быть инвариантна относительно комбинированной симметрии С Р Т, т.е. п оведение Вселенной не изменится, если частицы заменить античастицами, о тразить все в зеркале и изменить направление времени на обратное. Резуль таты, которые получили Д.Кронин и В.Фитч, свидетельствовали о том, что при замене частицы античастицей, осуществлении зеркального отражения, но п ри сохранении прежнего направления времени, законы физики должны измен иться, т.е. они не будут инвариантны относительно симметрии Т, следовател ьно, Вселенная будет вести себя при этих условиях иначе. Что из этого следует? По мнению С.Хокинга, по мере расширения Вселенной по д действием сил, не инвариантных относительно симметрии Т, антиэлектрон ы должны превращаться в кварки чаще, чем электроны в антикварки. После то го как Вселенная расширилась и охлаждалась, антикварки и кварки должны б ыли аннигилировать. Но так как кварков было больше чем антикварков, то кв арки должны были остаться в каком-то небольшом избытке. Из этих то кварко в и состоит сегодняшнее вещество и мы сами. Поэтому само наше существова ние можно рассматривать как качественное подтверждение теории великог о объединения. Последние не включают в себя гравитационного взаимодейс твия. С.Хокинг считает это не столь существенным, т.к. гравитационными сил ами по причине их незначительности можно пренебречь в случаях, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Вместе с тем важно учи тывать тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими и проявляются как силы притяжения, результаты их воздействия всегда сумм ируются. Отсюда следует, что при наличии достаточного количества частиц вещества гравитационные силы могут быть больше всех остальных. Поэтому эволюция Вселенной определяется именно гравитацией. Сейчас можно говорить, что при взаимодействиях и превра щениях элементарных частиц действуют законны сохранения (т.е. законы, со гласно которым численные значения некоторых физических величин не изм еняются с течением времени при различных процессах) - как важнейшие, стро гие из них (законы сохранения энергии, импульса, момента количества движ ения), так и приближенные, справедливые для определенного круга процессо в (законы сохранения лептонного заряда, барионного заряда, четности). 6. Концепции объе динения физики Единую полную те орию всего происходящего во Вселенной построить невозможно, поэтому сн ачала создаются частные теории, объединяющие какие-то части Вселенной. Н адежды на создание непротиворечивой единой теории, в которую войдут все частные теории, не оставляют физиков. Cоздание такой теории принято назы вать объединением физики. Его созданию Эйнштейн безуспешно отдал после дние годы своей жизни. Но, отказавшись принять реальность квантовой меха ники, ее принцип неопределенности как фундаментальный принцип мирозда ния, он не смог достичь успех на этом поприще. С.Хокинг и другие физики-теоретики с оптимизмом (хотя и осторожным) смотр ят на возможность построения единой теории, завершающей поиски окончат ельных законов природы. Сейчас имеет место общая теория относительности, представляющая собой частную теорию гравитации. Есть частные теории, описывающие слабые, силь ные и электромагнитные взаимодействия, - их можно объединить в теории ве ликого объединения. Но последняя физиками не признается удовлетворите льной, поскольку не включает гравитацию и содержит величины, которые не выводятся теоретически, а подбираются путем их наилучшего согласия с эк спериментом (например, относительные массы разных частиц). Считается, чт о основной трудностью построения теории, объединяющей гравитацию с дру гими силами, является невключенность квантово-механического принципа неопределенности в классическую общую теорию относительности. Поэтому исходным моментом создания единой теории является объединение общей т еории относительности и принципа неопределенности квантовой механики . В результате этого объединения черные дыры (см. раздел о концепциях астр ономии) перестают быть таковыми, исчезают сингулярности, Вселенная стан овится замкнутой и безграничной. Но в этом случае возникают трудности, о бусловленные тем, что, в соответствии с принципом неопределенности, прос транство должно быть заполнено п арами виртуальных частиц и античастиц, обладающих беск онечной энергией и бесконечной массой. Создаваемое ими гравитационное притяжение должно привести к сворачиванию Вселенной до бесконечно мал ых размеров. Подобные парадоксы бесконечности обычно устраняются с пом ощью перенормировки - процедуры введения новых бесконечностей для комп енсации старых. В частных теориях полученные с помощью перенормировки п редсказания согласуются с результатами наблюдений. В плане же создания полной теории метод перенормировок не позволяет теоретически предсказ ывать действительные значения масс и сил, поэтому их приходится подбира ть подгонкой к эксперименту. Есть лишь два числа, которые можно подгонят ь при включении принципа неопределенности в общую теорию относительно сти. Это - величина гравитационной силы и космологическая постоянная. Од нако их изменения не могут устранить бесконечность. Получается, что мы и меем теорию, в соответствии с которой некоторые величины (например, крив изна пространства-времени) являются бесконечными, хотя из изменений выт екает, что они конечны. Поэтому для выхода из положения стали использова ть так называемую теорию супергравитации, которая бесконечности устра няла, хотя оставалось сомнение в том, все ли бесконечности устранялись, а затем физики обратились к теориям струн в которых прогнозировалось сок ращение бесконечностей. С.Хокинг допускает три варианта ответа на вопрос, возмо жна ли единая теория. Первый вариант: полная теория может быть сформулир ована. Второй вариант: единой полной теории нет, а есть лишь бесконечная п оследовательность теорий, дающих все более точное описание Вселенной. Т ретий вариант единой полной теории Вселенной не существует, события в по следней происходят произвольно и беспорядочно и не могут быть предсказ аны далее некоторого предела. Если ставить цель - найти систему законов, д ающих возможность предсказывать события в пределах точности, устанавл иваемой принципом неопределенности, то тем самым третий вариант исключ ается. Вторая возможность, исходящая из существования бесконечной посл едовательности все более точных теорий, согласуется с нашим опытом. Но п оследовательность все более точных теорий при переходе к более высоким энергиям может иметь предел. При каких-то энергиях и должна существовать единая теория Вселенной. Столь высокие энергии могли возникнуть на ранн их стадиях развития Вселенной. Поэтому изучение ранней Вселенной может привести к созданию полной единой теории. Если бы полная единая теория оказалась математически непротиворечивой и ее предсказания совпадали с опытом, то "этим завершилась бы длинная и уд ивительная глава в истории интеллектуальной борьбы человечества за по знание Вселенной".Но создание такой теории не означает, что мы сможем пре дсказывать события вообще, ибо возможности предсказаний ограничиваютс я, во-первых, принципом неопределенности и, во-вторых, неумением находить точные решения описывающих теорию уравнений (а потому необходима разра ботка приближенных методов, позволяющих предсказывать результаты в ре альных ситуациях). До недавнего времени считалось, что Вселенная не изменяется со временем - из того, что гравитационные силы являются всегда силами притяжения, сле дует, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Из общей тео рии относительности известно, что в прошлом было состояние с бесконечно й плотностью и большой взрыв, положивший начало отсчету времени. Если Вс еленная начнет сжиматься, то в будущем должно появиться еще одно состоян ие с бесконечной плотностью произойдет большой хлопок, означающий коне ц течения времени. В образовавшихся черных дырах возникнут сингулярнос ти, в которых законы перестанут действовать. При объединении квантовой механики и общей теории отно сительности может возникнуть новая возможность, когда пространство и в ремя образуют конечное четырехмерное пространство без сингулярностей и границ. С помощью этой возможности можно было бы объяснить однородност ь Вселенной в больших масштабах и отклонения от однородности в меньших м асштабах (галактики, звезды, человеческие существа), а также существован ие наблюдаемых стрел времени. Предположим, что единая полная теория создана - это будет набор правил и у равнений. Но ведь она не отвечает на вопрос, почему должна существовать Вселенная, которую описывает эта теор ия“ Пока большинство ученых слишком заняты развитием новых теорий, опис ывающих, что есть Вселенная, и им неког да спросить себя, почему она есть. Фило софы же, чья работа в том и состоит, чтобы задавать вопрос "почему", не могут угнаться за развитием научных теорий. В XVIII веке философы считали все чело веческие знания, в том, числе и науку, полем своей деятельности и занимали сь обсуждением вопросов типа: было ли у Вселенной начало? Но расчеты и мат ематический аппарат науки XIX и XX вв. стали слишком сложны для философов и во обще для всех, кроме специалистов. Философы настолько сузили круг своих запросов, что самый известный философ нашего века Уитгенштейн (Витгеншт ейн -А.К.) по этому поводу сказал: "Единственное, что еще остается философии , - это анализ языка". Какое унижение для философии с ее великими традициям и от Аристотеля до Канта". Часть вопросов, относящихся к созданию единой теории по ля и некоторых других, будет рассматриваться в разделах, посвященным дру гим наукам. Заключение Итак, что же представляет собой современная физика и каков а тенденция ее развития? Будет целесообразно взглянуть на пройденный фи зикой путь глазами ее творцов и оценить достигнутое их словами. Прежде в сего, что представляет собой физика как целостное образование? Физика, в представлении В.Вайскопфа, - это дерево, в нижней части ствола ко торого находятся классическая физика, электродинамика и физика теплот ы вместе с широко раскинувшимися ветвями, символизирующими обширные пр иложения этих направлений. Выше по стволу находятся атомная физика с ее ветвями, такими как химия, материаловедение, электроника и оптика. Еще вы ше расположена ядерная физика с ее молодыми ветвями, символизирующими н ауку о радиоактивности, метод меченых атомов, геологию и астрофизически е приложения. На вершине, где пока нет ветвей, помещаются современные физ ика элементарных частиц и космопология. Шестьдесят лет назад верхушкой без ветвей была атомная физика. Следующий вопрос: какова роль физики в современном мире ? По этому поводу В.Гейзенберг выразился следующим образом: "... современна я физика представляет собой только одну, хотя и весьма характерную сторо ну общего исторического процесса, имеющего тенденцию к объединению и ра сширению нашего современного мира... в двух решающих пунктах, она, по-види мому, помогает направить развитие по мирным рельсам. Во-первых, она показ ывает, что применение оружия в этом процессе имело бы чудовищные последс твия, и, во-вторых, своей доступностью для многих исторически сложившихс я способов мышления она пробуждает надежду , что в окончательном состоян ии различные культурные традиции, новые и старые, буду сосуществовать, ч то весьма разнородные человеческие устремления могут быть соединены д ля того, чтобы новое равновесие между мыслями и действием, между содержа тельностью и активностью". И еще один вопрос: какова цель физической науки? А.Эйнште йн и Л.Инфельд, завершая свою книгу "Эволюция физики", отмечают, что физиче ские концепции стремятся представить картину реальности и установить ее связь с миром чувственных восприятий. Одним из первичных понятий выст упает понятие объекта. Понятие любого материального объекта создается на основе опыта. Физика фактически начинается с введения понятия массы, силы и инерциальной системы, которые приводят к формулировке механичес кой картинны действительности. Для физика XIX века реальность внешнего ми ра состояла из частиц, между которыми действуют простые силы, которые за висели только от расстояния. Он верил в то, что с помощью этих понятий удас тся объяснить все явления природы. Когда физики столкнулись с явлениями электромагнитного характера, было введено понятие электромагнитного п оля (ибо понятие электромеханического эфира в объяснении электромагни тных явлений не могло вскрыть их сущность). Для того, чтобы понять, что не п оведение тел, а поведение чего-то находящегося между ними, т.е. поля, упоря дочивает явления и позволяет понять их сущность, требовались значитель ные психологические усилия. Дальнейшее развитие науки отбросило стары е понятия и ввело новые. Так, теория относительности отбросила понятие а бсолютного пространства и времени и ввела понятие четырехмерного прос транственно-временного континуума. Квантовая теория раскрыла новые су щественные черты реальности: прерывность встала на место непрерывност и, вместо законов, управляющих индивидуальными объектами, появились вер оятностные законы. Но цель физических теорий осталась прежней - с их помо щью мы пытаемся вскрыть сущность наблюдаемых фактов, упорядочить и пост ичь мир чувственных восприятий. Т.е. мы стремимся к тому, чтобы наблюдаемы е факты следовали из нашего понимания реальности. Без веры во внутреннюю гармонию нашего мира, без веры в возможность охватить реальность с помо щью теоретических построений не может быть науки. Огромное разнообразие фактов в области атомных явлений заставляет изо бретать и вводить в обиход новые физические понятия. Вещество состоит из элементарных частиц - элементарных квантов вещества. Свет также состоит из фотонов - квантов энергии. Поиски ответов на вопросы, чем является свет - волной или ливнем фотонов, чем является пучок электронов - ливнем элемен тарных частиц или волной, побуждает еще дальше отступить от механическо го мировоззрения. Квантовая физика и формулирует законы, управляющие со вокупностями, а не индивидуумами. В квантовой физике описываются не свой ства, а вероятности, формулируются законы, управляющие изменениями во вр емени вероятностей, относящиеся к большим совокупностям индивидуумов, а не законы, раскрывающие будущее системы, как это присуще классической физике. Таким образом, немногим более ста лет назад наука была описательной: опи сание движения твердых тел или жидкостей в механике и гидродинамике, сво йств электрических и магнитных полей в электродинамике, реакции атомов и молекул в химии. Затем цели физики изменились: от описания она перешла к объяснению. Прогресс науки, осуществленный Планком. Эйнштейном, Резерфо рдом, Бором. Зоммерфельдом, Шредингером, Гейзенбергом, Паули, Дираком, при вел к открытию кванта действия, атома, обладающего ядром, квантованных о рбит, квантовой механики, динамики атома. Следующий этап в развитии физи ки открылся работами М.Склодовской-Кюри, позволившими приступить к изуч ению внутреннего строения атомного ядра. Исследования структуры атома выявили огромное разнообразие элементарных частиц, что заставило физи ков искать в этом разнообразии единство и пытаться строить концепцию об ъединения физики. Классический этап в развитии физики с построением ква нтовой теории уступил место неклассическому. Сегодня физика начинает п ереход к постнеклассическому этапу своего развития. Сложившаяся на нек лассическом этапе развития физики картина мира является принципиально незавершенной - ощущается все большая потребность в переходе к эволюцио нной парадигме. Комплекс проблем, касающихся этого перехода, будет рассм отрен в разделе, посвященном синергетике. Г. Галилей и становление закона инерци и. В 1564 г. в Италии родился будущий вели кий ученый Галилео Галилей. Уже в 26 лет он стал профессором математики в у ниверситете своего города, одновременно занимаясь физикой и астрономи ей. В результате этого он пришел к выводам, противоречившим общепринятой науке того времени и был осужден своими коллегами. Понимая, что его откры тия подрывают авторитет церкви, и что за них можно попасть на каторгу, Гал илей тем не менее пишет книгу в защиту своих идей. Она построена в форме ди алога между тремя людьми, имеющими различные точки зрения. В ходе спора ч итатель подводится к мысли, что прав тот персонаж, который отстаивает то чку зрения Галилея. Какие же идеи защищал Галилей? До него в науке считалось, что тело может дв игаться только тогда, когда на него действует сила. Как только она прекра щает свое действие, тело останавливается, то есть переходит в состояние покоя. Галилей же возражал: когда на тело не действуют никакие силы, оно не обязательно покоится, оно может и двигаться, но не по-любому, а лишь равном ерно (и прямолинейно). Галилей рассуждал так. Пусть вниз по наклонной плос кости катится шар. Разумеется, его движение будет ускоренным. Но если же ш ар толкнуть вверх по наклонной плоскости, то его движение будет замедлен ным. А как будет двигаться шар, если ему придать скорость на горизонтальн ой плоскости? Очевидно, шар не будет ни ускорять, ни замедлять своего движ ения, то есть будет двигаться равномерно. Гражданский подвиг Галилея состоял не только в том, что книга была напис ана, а также и в том, что она была написана на итальянском языке, доступном простым людям. Дело в том, что во времена Галилея ученых было совсем мало, и жили они в разных странах. Поэтому, чтобы понимать друг друга, свои книги им приходилось писать на латинском языке, неизвестном другим малограмо тным людям.
