11073 (История, панорама современного естествознания и тенденции его развития), страница 7

Но вот упорный десятилетний труд Фарадея вознагражден: 17 октября 1831 г. триумфальный эксперимент - открыто явление электромагнитной индукции. Это был хорошо подготовленный и заранее продуманный опыт.

Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита должно приводить к такому же следствию. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое простое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока!

С ноября 1831 г. Фарадей начал систематически печатать свои "Экспериментальные исследования по электричеству", составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Это великолепный памятник научного творчества Фарадея. Первая серия посвящена электромагнитной индукции; последняя (тридцатая) - законам намагничивания (вышла в свет в 1855г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в них жизнь, мысли и воззрения ученого.

В первой половине XIX в. постепенно вызревает и утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного пре­вращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии является одним из важнейших законов современного естествознания. Он выражает положение диалектического материализма о неуничтожимости и несотворимости материи и движения. Формулировка этого закона стала общеизвестной: сумма всех видов энергии изолированной системы есть величина постоянная. Истоки его уходят в глубокую древность. "Из ничего ничего не бывает" - так древними греками была выражена идея сохранения. Эта великая идея развивалась и постепенно расширяла сферу своего влияния. В процессе развития естествознания были открыты законы сохранения массы, электрического заряда, количества движения, а в середине XIX в. – закон сохранения и превращения энергии. Именно к этому периоду созрели необходимые условия для появления данного закона.

Многие учёные внесли свой вклад в его установление, но физика связывает, и по праву, его открытие в первую очередь с именами Р. Майера, Г. Гельмгольца, Д. Джоуля, Э. Ленца, М. Фарадея.

Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания. Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира.

В России, в XIX в. выдающимися представителями физики были Д.И. Менделеев, А.Г. Столетов, П.Н. Лебедев, А.С. Попов.

В марте 1969 г. научная общественность нашей планеты отметила 100-летие со дня открытия одного из фундаментальных законов естествознания - периодического закона химических элементов Д. И. Менделеева. Открытие этого закона Ф. Энгельс назвал "научным подвигом" Менделеева, который принес отечественной науке неувядающую славу и мировое признание. На основе этого закона Менделеев сумел предсказать физические и химические свойства элементов, открытых позднее. И сегодня этот закон, получив соответствующее обоснование в науке, является путеводной звездой в научных исканиях физиков, химиков.

Перу Д. И. Менделеева принадлежит более 500 научных работ по
различным проблемам химии, физики, метрологии, геологии,

воздухоплавания, педагогики.

Наиболее крупным исследованием А. Г. Столетова, принесшим ему мировую славу, является исследование фотоэффекта (1888-1890). В результате этой работы А.Г. Столетов предложил очень простой метод изучения данного явления: одна из пластин конденсатора - сплошная (в опытах Столетова это была полированная цинковая пластина) - соединяется через гальванометр с отрицательным полюсом батареи; другая - в виде сетки - соединяется с положительным полюсом. Внутренняя поверхность сплошной пластины освещается электрической дугой.

Исследование светового давления стало делом всей жизни П. Н. Лебедева. Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотности энергии электромагнитного поля. При полном отражении давление будет в два раза больше. Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерении. И Лебедев создает свою знаменитую установку — систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью.

Во-вторых, серьезной помехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температура теневой. А это приведет к тому, что молекулы газа от освещенной стороны диска будут отбрасываться с бóльшими скоростями, чем от теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во много раз превосходящая его (в 103 раза в опытах Крукса и Бартоли). Кроме того, при наличии разности температур возникают конвекционные потоки газа. Все это надо было устранить. П. Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1–0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наивысший, достижимый, в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П. Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и давление оставшихся ртутных паров резко уменьша­лось (ртутные пары, как говорят, замораживались).

Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение о давлении света было сделано П. Н. Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков, а в 1901 г. в немецком журнале "Анналы физики" была напечатана его работа "Опытное исследование светового давления". Работа получила высочайшую оценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждением теории Максвелла.

Кроме работ, связанных со световым давлением, П. Н. Лебедев много сделал для изучения свойств электромагнитных волн. Усовершенствовав метод Герца, он получил самые короткие в то время электромагнитные волны (А = 6 мм, в опытах Герца А = 0,5 м), доказал их двойное лучепреломление в анизотропных средах. Следует заметить, что приборы Лебедева были настолько малы, что их можно было носить в кармане. Например, генератор электромагнитных волн Лебедева состоял из двух платиновых цилиндриков, каждый по 1,3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре. Зеркала Лебедева имели высоту 20 мм, а эбонитовая призма для исследования преломления электромагнитных волн была высотой 1,8 см, шириной 1,2 см и весила около 2 г. Напомним, что призма Герца для этой же цели весила 600 кг. Миниатюрные приборы Лебедева всегда вызывали восхи­щение физиков-экспериментаторов, а задача уменьшения размеров различных приборов и схем в настоящее время является одной из важнейших, стоящих перед учеными и конструкторами.

Электромагнитную теорию Максвелла экспериментально впервые доказал Г. Герц, открыв электромагнитные волны. Это открытие Герца привлекло к себе внимание самых широких слоёв общества. Именно в этот период многие сразу же высказали идею о возможности беспроволочной связи с помощью "лучей Герца". В списке учёных, решавших эту задачу, на первом месте стоит имя профессора А. С. Попова (1859-1905).

После открытия Герца, Попов увлекся электромагнитными волнами. Читая в 1889 г. в Минных классах цикл лекций "Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями", А.С. Попов сопровождал их демонстрациями. Это имело огромный успех, и А.С. Попову было предложено повторить этот цикл в Петербурге в Морском музее. Уже в этом цикле Попов высказывает мысль, что опыты и работы Герца представляют большой интерес не только в строго научном плане, но также и в возможности их применения для беспроволочной передачи сигналов.

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А.С. Попов демонстрировал сконструированный им прибор для приема и регистрации электромагнитных колебаний.

В 1899-1900 гг. радиотелеграф А.С. Попова оказался незаменимым средством и сыграл свою первую практическую роль при снятии с камней броненосца"Генерал-адмирал Апраксин", потерпевшего аварию в районе о. Гогланда. События тех дней заставили воспользоваться телеграфом А.С. Попова и еще в одном важном деле. На льдине в море были унесены рыбаки. Их жизнь зависела от оперативности спасательной службы. Приказ ледоколу "Ермак", находящемуся в море, был передан по беспроволочной связи. Рыбаки были спасены. Так всем стала очевидна огромная польза этого изобретения.

В XIX и начале XX в. наука вступила в свой золотой век. Во всех ее важнейших областях произошли удивительные открытия, широко распространилась сеть институтов и академий, организованно проводивших специальные исследования различного рода, на основе соединения науки с техникой чрезвычайно быстро расцвели прикладные области. Оптимизм этой эпохи был напрямую связан с верой в науку, ее способность до неузнаваемости преобразить состояние человеческого знания, обеспечить здоровье и благосостояние людей.

Сложившаяся ситуация в науке и мировоззрении требовала своего разрешения. Оно появилось в ходе новейшей революции в естествознании, начавшейся с 90-х гг. XIX в. и продолжавшейся до середины XX в. Это была глобальная научная революция, по своим результатам и значению сравнимая с революцией XVI–XVII вв. Она началась в физике, затем проникла в другие естественные науки, кардинально изменила философские, методологические, гносеологические, логические основания науки в целом, создав феномен современной науки.

Глава 9. Научная революция в естествознании начала XX в.

Развитие электронной теории.

Идея атомарного строения электричества вытекала из законов электролиза Фарадея, на что в свое время обратил внимание и сам Фарадей, указывая, что "атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними".

Максвелл в своем "Трактате об электричестве и магнетизме" тоже говорит о "молекуле электричества", но считает, что "теория молекулярных зарядов" хотя и "служит для выражения большого числа фактов электролиза", однако является временной и будет отброшена, как только на основе поля появится теория электрического тока.

В 1875 г. голландский физик Г.А. Лоренц в своей докторской диссертации "К теории отражения и преломления лучей света" объясняет изменение скорости света в среде влиянием ее заряженных частиц. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэф­фициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью, проводимостью. "Но мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта. Мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах", - писал Лоренц.

В начале XX в. работами немецкого физика П. Друде (1863-1906) и Г. Лоренца была создана электронная теория металлов, позволившая получить теоретически многие ранее открытые законы: Ома, Джоуля - Ленца и др. Эта теория была построена на следующих положениях.

1. В металле есть свободные электроны - электроны проводимости, образующие электронный газ, аналогичный по своим свойствам идеальному.

2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.

3. При своем движении электроны сталкиваются с ионами.

4. При наличии электрического поля электроны приходят в
упорядоченное движение под действием сил поля.

В результате работ Дж. Томсона был открыт электрон и определен его удельный заряд. Однако ни заряд, ни масса электрона отдельно еще не были известны. Нужны были новые эксперименты для определения этих фундаментальных величин. Первыми наиболее точными из них следует назвать опыты американского физика Р. Милликена (1868-1953) в 1909-1914 гг. Идея этих опытов сводилась к наблюдению за падением заряженной капли масла в однородном поле плоского конденсатора (рис. 6).

В результате многочисленных экспериментов с использованием масляных капель различного веса и при разных условиях Милликен заключил, что в каждом случае заряд капли изменялся на величину, равную или кратную значению некоторого основного заряда е - заряда электрона. Эти опыты не только явно доказывали дискретность электрического заряда, но и позволили определить его наименьшую величину. Подобные опыты были проведены разными учеными, в том числе и академиком А. Ф. Иоффе. Опыт Иоффе был сходен с опытом Милликена, но вместо капель масла использовались металлические пылинки. В результате всех этих опытов в физике были установлены важнейшие физические константы: заряд электрона е = -1,60 · 10^–19 Кл, масса электрона m_e = 9,1 · 10^–31 кг. Еще в 1902 г., определяя отношение е /m для электрона, Кауфман обнаружил, что оно не является постоянной величиной, а зависит от скорости частиц. Работая с β-лучами (поток быстрых электронов) и действуя на них электрическим и магнитным полем, Кауфман обнаружил, что e/m уменьшается с ростом скорости. Из этого следовало, что с ростом скорости электрона либо уменьшается его заряд, либо увеличивается его масса.

Для объяснения этого и ряда других явлений в этот период создаются различные гипотезы. Справедливость одних и ошибочность других были установлены новыми экспериментами и специальной теорией относительности (СТО).

Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности

В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред [6]. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчета, не в состоянии обнаружить этого движения. Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относи­тельности для электромагнитных процессов, но, к сожалению, не придал ему того большого значения, какое он заслуживал. Дальнейшее развитие электродинамики движущихся сред принадлежит французскому математику Анри Пуанкаре (1854-1912). Именно он в 1900 г. на Парижском конгрессе физиков порицал Лоренца за недооценку им принципа относительности, считая его, со своей стороны, общим законом природы. Отрицательный результат опыта Майкельсона, по мнению Пуанкаре, как раз и является выражением этого закона. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики, Пуанкаре отмечает, что "законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет".

Так принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических явлений в начале XX в., был распространен на любые физические процессы. Небезынтересно отметить, что, рассматривая влияние принципа относительности на гравитацию, Пуанкаре приходит к выводу, что скорость распространения сил тяготения должна равняться скорости света.

Итак, мы видим, что предшественники А. Эйнштейна немало сделали для появления теории относительности. Однако, развивая электродинамику и стремясь объяснить опыты, они опирались на концепцию эфира. Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос о постоянстве и, особенно, о предельном значении скорости света. Это и было сделано А. Эйнштейном (1879-1955). Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называлась "К электродинамике движущихся сред". Она поступила в редакцию журнала "Анналы физики" 30 июня 1905 г. Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новой теории пространства и времени, во второй - применение этой теории к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладет два постулата.

Принцип относительности - в любых инерциальных системах все физические процессы: механические, оптические, электрические и другие -протекают одинаково.

Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направ­лениях, во всех инерциальных системах и равна 3 · 10⁸ м/с.