Geum.ru

В. М. Найдыш Концепции современного естествознания

Вид материалаУчебник
Подобный материал:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   39


220


Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических объектов незаметно, поскольку притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Лишь высокочувствительные устройства в состоянии уловить гравитационные эффекты. Только в 1774 г. английский ученый Н. Маскелайн обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением находящейся поблизости горы. В 1797 г. английский физик и химик Г. Кавендиш поставил знаменитый эксперимент по измерению едва уловимой силы притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами; это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.


7.1.3. Теория теплорода. Если силы тяготения действуют между всеми материальными телами, то магнитными силами обладает только железо в намагниченном состоянии, а электрические силы присущи многим телам, но только в наэлектризованном состоянии. Поэтому физики стали приписывать эти силы не частицам вещества, а якобы находящимся в порах обычных материальных тел неким тонким жидкостям, или «материям». Между этими жидкостями и частицами вещества действуют определенного рода силы.


Так объясняли и природу теплоты. Нагревание тела связывали с присутствием некой жидкости — теплорода, частицам которого также присущи определенные силы. Например, между частицами теплорода действуют отталкивающие силы, а между частицами теплорода и частицами материальных тел — силы притяжения.


Тепловые явления изучали вне связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу. Физики имели дело главным образом с явлениями перераспределения теплоты и ее передачей, когда общее количество теплоты остается неизменным. Они полагали, что теплота переходит от одного тела к другому подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Они также считали, что теплота «перетекает» по телу, например стержню, без потерь, подобно воде по трубам. Это хорошо укладывалось в представление о теплоте как о веществе. С помощью вещественной теории теплоты объяснялось наличие теплового баланса при калориметрических измерениях, явление теплопроводности и т.п.


221


Первые серьезные сомнения в теории теплорода принадлежат американцу Б. Румфорду. Он обратил внимание на выделение тепла при сверлении пушечных стволов и пришел к выводу (1798), что количество выделяемой теплоты не зависит от объема вещества, из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты. Это опровергало теорию теплорода (теплота как вещество) и прокладывало дорогу для понимания теплоты как формы движения.


Теория теплорода, будучи весьма простой, удовлетворяла эмпирическим и формалистическим традициям науки того времени, общей направленности ньютонианской физики и была исторически необходимым этапом в развитии физики. Она сыграла и положительную роль, объединив целый ряд накопленных фактов и частных теорий, и позволила их систематизировать с единой точки зрения. Хотя и в искаженной форме, эта теория отражала некоторые действительные закономерности тепловых явлений. Поэтому она продержалась более столетия, так как не тормозила развития физической науки и не сразу пришла в противоречие с действительностью.


7.1.4. Развитие учения об электричестве и магнетизме в XVIII в.


В первой половине XVIII в. были получены качественно новые результаты в области изучения электрических явлений. Так, в 1729 г. англичанин С. Грей открыл явление электрической проводимости. Он обнаружил, что электричество способно передаваться некоторыми телами, и все тела разделил на проводники и непроводники. Француз Ш.Ф. Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются». Важным шагом в изучении электрических явлений стало изобретение в 1745 г. лейденской банки, благодаря которому физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Это усилило интерес к изучению электрических явлений и способствовало утверждению представления о возможности практического применения электричества, в том числе в лечебных целях.


222


Опыты с электричеством стали модными: их проводили и в лабораториях ученых, и в аристократических гостиных, и даже в королевских дворцах, где они превратились в забаву. Известно, например, что французский король Людовик XV и его двор забавлялись, пропуская разряд электричества через цепь солдат.


Появляется мысль, что электричество играет важную роль в жизнедеятельности живого организма. Многие ученые, врачи занялись изучением действия электричества на человеческий организм. Появились трактаты об «электричестве человеческого тела», об «электрической лечебной материи» и т.п. [1] И хотя широкое использование свойств электрических (и магнитных) явлений в медицине (физиотерапия, например) пришло гораздо позже, тем не менее зарождение в XVIII в. идей о возможных способах такого применения стимулировало развитие исследований электрических явлений.


1 В качестве примера можно назвать сочинение одного из вождей Французской революции 1789 г. Ж. П. Марата, врача по образованию. В 1738 г. он написал сочинение по электротерапии и представил его на конкурс, объявленный Руан-ской академией на тему: «Насколько и в каких условиях можно рассчитывать на электричество как на положительное в лечении болезней?»


Изобретение лейденской банки способствовало и открытию электрической природы молнии. Известный ученый, общественный деятель, активный участник Войны за независимость в Северной Америке 1775—1783 гг. Б. Франклин, много занимавшийся исследованием электрических явлений, предложил гипотезу об электрической природе молнии и экспериментальный метод ее проверки, а также идею громоотвода. В работах Франклина, который рассматривал электрические явления как проявление некоторой «электрической материи», формулируется понятие электрического заряда и закон его сохранения. В России исследования атмосферного электричества проводили М.В. Ломоносов и Г. Рихман, который, проводя эксперименты во время грозы 26 июля 1753 г., был убит шаровой молнией.


Во второй половине XVIII в. учение об электричестве и магнетизме развивается более быстрыми темпами. Среди многих ярких открытий этого времени — изобретение А. Вольта источника постоянного тока (вольтов столб). Выявляется способность электричества вызывать химические действия, зарождается электрохимия. В это же время намечаются две основные концепции в понимании электрических и магнитных явлений — дальнодействия и близкодействия.


223


Новый этап в истории учения об электричестве и магнетизме начинается с непосредственного измерения в 1780-х гг. французским физиком Ш.О. Кулоном величины сил, действующих между электрическими зарядами, и установления основного закона электростатики — закона Кулона, который гласит, что электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния, т.е. так же, как гравитационная сила. Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого Г. Кавендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.


Таким образом, к рубежу XVIII—XIX вв. природа электричества частично прояснилась.


7.1.5. Физика первой половины XIX в.: общая характеристика. Первая половина XIX в. — время бурного развития капиталистического способа производства в Европе и Америке. Французская революция 1789 г., а затем наполеоновские войны способствовали разложению феодализма и открывали простор росту капитализма в странах Европы. В первой половине XIX в. промышленный переворот происходит во всех передовых странах Европы.


Основой промышленного производства становится крупная машинная индустрия. Еще более высокими темпами, чем в XVIII в., развиваются металлургическая, горнодобывающая, химическая, металлообрабатывающая и другие отрасли промышленности. Машинная индустрия требует постоянного совершенствования техники — внедрения новых технологических методов, улучшения организации производства и т.д., а это в свою очередь требует применения и постоянного развития естественно-научных знаний. Естествознание все в большей степени становится элементом производительных сил, его развитие во многом определяется потребностями промышленного и сельскохозяйственного производства. В этих условиях все более быстрыми темпами развивается физическая наука. Производство непрерывно ставит перед ней все новые и новые проблемы, доставляя одновременно и новый эмпирический материал.


224


В тесном единстве с естествознанием происходит становление прикладных наук, прежде всего технических. Например, значительное развитие получает новая отрасль — теплотехника. Ее возникновение было непосредственной реакцией на промышленный переворот, энергетической основой которого являлась паровая машина. Изобретенная еще в XVIII в. паровая машина становится универсальным двигателем и применяется не только на промышленных предприятиях, но и на транспорте [1].


1 В 1807 г. в Америке Р. Фултоном был построен первый пассажирский колесный пароход. На первых порах Фултону пришлось затратить немало усилий для убеждения людей в практической возможности парохода. Даже Наполеон не поверил изобретателю и выгнал его из своего кабинета со словами: «Он уверял меня, что можно двигать суда с помощью кипятка». В 1830-е гг. налаживаются регулярные речные, морские и океанские пароходные сообщения.


Паровую машину используют в качестве двигателя и на сухопутном транспорте. Первая железная дорога (с локомотивом Дж. Сте-фенсона) была открыта в 1825 г. в Англии. В течение короткого времени сеть железных дорог покрыла территорию Европы и Северной Америки. В России пассажирское железнодорожное сообщение (на линии Петербург — Царское село) было открыто в 1837 г. В первой половине XIX в. теплотехника своими обобщениями и потребностями оказывала значительное влияние на развитие физики.


Зарождающаяся электротехника изучает закономерности применения электричества в технике. Прежде всего электричество используют для связи. Вскоре после открытия Х.К. Эрстедом в 1819 г. действия электрического тока на магнитную стрелку возникает идея построить электромагнитный телеграф [2]. Были предприняты первые попытки использовать электричество в качестве двигательной силы. Возникает новая область электротехники — гальванопластика, изобретателем которой был русский академик Б.С. Якоби.


2 В 1832 г. в Петербурге уже демонстрировался первый практически действующий телеграф русского изобретателя ПЛ. Шиллинга. Вскоре появляются другие конструкции телеграфа. В 1844 г. в Америке была построена первая телеграфная линия, а в конце 1840-х годов их там было уже несколько десятков. В середине века телеграфные линии начинают появляться и в Европе.


Говоря о технике первой половины XIX в., следует упомянуть о фотографии. Первый практически применимый метод получения фотографических снимков (так называемый метод дагеротипий) был разработан французом Л. Дагером в 1839 г. Позитивное изображение получалось на стеклянной пластинке, покрытой све-


225


точувствительной пленкой. Несмотря на несовершенство, метод Дагера быстро получил распространение. В 1850-х гг. его заменя-ет обычный метод фотографирования. Изобретение фотографии и ее совершенствование оказали несомненное влияние на развитие оптики, а в дальнейшем и других разделов физики, особенно после того как фотографию стали широко применять в экспериментальных исследованиях.


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


В 1840-х гг. весь ход развития физических наук по пути изучения связей между различными физическими явлениями, взаимных превращений различных форм энергии завершается установлением закона сохранения и превращения энергии.


7.1.6. Волновая теория света. Интерес к оптическим проблемам в начале XIX в. был продиктован развитием учения об электричестве, химии и паротехнике. Казалось очень вероятным, что в природе теплоты, света и электричества есть нечто общее. Открытие и изучение фотохимических реакций, химических реакций с выделением теплоты и света, тепловых и химических действий электричества — все это заставляло думать, что изучение света окажется полезным для решения важных научных и практических задач.


В XVIII в. подавляющее большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла многие, но не все оптические явления. В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей волновой оптики. В оптике происходит настоящая научная революция, закончившаяся победой волновой теории света над корпускулярной.


226


Первым в защиту волновой теории света выступил в 1799 г. английский врач Т. Юнг, разносторонне образованный человек, занимавшийся исследованиями в области математики, физики, механики, ботаники и т.д., обладавший обширными знаниями в литературе, истории, многое сделавший для расшифровки египетских иероглифов. Юнг критиковал корпускулярную теорию света, указывая на явления, которые нельзя объяснить с ее позиций, в частности, одинаковые скорости световых корпускул, выбрасываемых слабыми и сильными источниками, а также то обстоятельство, что при переходе из одной среды в другую одна часть лучей постоянно отражается, а другая постоянно преломляется. Юнг предложил рассматривать свет как колеблющееся движение частиц эфира: «...Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет Вселенную... Колебательные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, как тело начинает светиться». Волновую природу света он обосновывал прежде всего явлением интерференции света.


Опыт, демонстрирующий явление интерференции света, состоит в следующем. В экране прокалывают два маленьких отверстия на близком расстоянии друг от друга и освещают его солнечным светом, проходящим через отверстие в окне. За этим экраном помещают второй экран, на который падают два световых конуса, образовавшиеся за первым экраном. В том месте, где эти конусы перекрываются, на втором экране видны светлые и темные полосы. От присоединения света к свету образуется темнота! Юнг правильно предположил, что темные полосы образуются там, где гребни световых волн поглощают друг друга. Если закрыть одно отверстие, то полосы пропадают, а на экране видны только дифракционные кольца. Измеряя расстояние между кольцами, Юнг определил длины волн красного, фиолетового и некоторых других цветов. Он рассмотрел и некоторые случаи дифракции света. Появление дифракционных полос он объяснял интерференцией двух волн: прошедшей прямо и отраженной от края препятствия. Кроме того, он высказал важную догадку о том, что явление поляризации света возможно только в том случае, если световая волна является поперечной, а не продольной.


Хотя работы Юнга свидетельствовали в пользу волновой теории света, они тем не менее не привели к отказу от корпускулярной теории, которая продолжала господствовать в оптике.


227


В 1815 г. против корпускулярной теории выступил французский ученый О.Френель. После окончания Политехнической школы в Париже он работал в провинции инженером по прокладке и ремонту дорог, а в свободное время занимался научными исследованиями. Заинтересовался вопросами оптики и самостоятельно пришел к убеждению, что справедлива не корпускулярная, а волновая теория света. В 1818 г. Френель объединил полученные результаты и изложил их в работе о дифракции света, представленной на конкурс, объявленный Французской академией наук.


Работу Френеля рассматривала специальная комиссия в составе Ж.Б. Био, Д.Ф. Араго, П.С. Лапласа, Ж.Л. Гей-Люссака и С.Д. Пуассона — сторонников корпускулярной теории. Но результаты работы Френеля настолько соответствовали эксперименту, что просто отвергнуть ее было невозможно. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствие, противоречащее здравому смыслу: как будто в центре тени от круглого экрана должно наблюдаться светлое пятно. Эту «несообразность» подтвердил опыт: возражение превратилось в свою противоположность. Комиссия в конце концов признала правильность результатов волновой теории Френеля и присудила ему премию [1]. Однако теория Френеля еще не стала общепринятой, и большинство физиков продолжало придерживаться старых взглядов.


1 Араго Ф. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. Ижевск, 2000. Т. И. С. 97.


Заключительным аккордом в борьбе корпускулярной и волновой теорий света явились результаты измерения скорости света в воде. Согласно корпускулярной теории, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в оптически менее плотной, а по волновой теории — наоборот. В 1850 г. французские физики Ж.Б.Л. Фуко и А.И.Л. Физо, измеряя скорость света с помощью вращающегося зеркала, показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердили волновую теорию света. К середине XIX в. приверженцев корпускулярной теории света осталось уже мало.


7.1.7. Проблема эфира. Любая новая теория, решая одни проблемы, вместе с тем ставит и ряд новых. Так случилось и с волновой теорией света. В отличие от корпускулярной волновая теория света должна была решить вопрос о свойствах среды — носителя световой волны. Такую среду еще со времен Декарта назвали эфиром. Ответ на вопрос, каковы свойства эфира, предполагал решение двух фундаментальных проблем:


228


во-первых, какую волну представляют собой световые колебания — продольную или поперечную. Если бы световые волны были продольными, как звуковые колебания, то теорию эфира следовало строить по аналогии с акустикой и теорией газов. Теория поперечных колебаний гораздо сложнее, поскольку такие колебания распространяются только в плотных (не газообразных) средах;


во-вторых, каким образом эфир взаимодействует с движущимся источником света (не увлекается им или увлекается, полностью либо частично). Иначе говоря, может ли эфир служить абсолютной системой отсчета для механического движения, поиск которой считал необходимым для обоснования физического знания И. Ньютон.


Для ответа на первый вопрос решающим оказалось объяснение поляризации света, которое (как показал еще Т. Юнг) было возможным только на основе гипотезы поперечных колебаний. Теорию поляризации света также разработал Френель. Согласно этой теории свет, испускаемый светящимся телом, не является поляризованным. Хотя каждая молекула тела в каждый момент времени излучает плоскополяризованный свет, но вследствие хаотичности движения каждой молекулы они колеблются в разных направлениях, причем направление колебаний каждой молекулы непрерывно изменяется в результате беспорядочных толчков, которые испытывает молекула нагретого тела. Складываясь, волны, испускаемые молекулами светящегося тела, дают одну волну, которая колеблется непрерывно и хаотично, меняя направление колебаний. Это и есть естественный свет. Поляризация света в твердом кристалле объясняется разложением колебаний естественного света вдоль осей кристалла по двум взаимно перпендикулярным направлениям. А из того, что поляризованные лучи не интерферируют, не влияют друг на друга, Френель сделал правильный вывод о поперечно-сти световых колебаний.


Но выявление поперечного характера световых колебаний привело к ряду новых затруднений: с одной стороны, эфир как носитель поперечных колебаний (с высочайшей скоростью распространяющихся) должен быть чрезвычайно твердым веществом, а с другой стороны, он не должен оказывать заметного препятствия прохождению через него небесных тел. Объяснить это противоречие было очень сложно. Выдвигалось множество (в том числе и очень остроумных) гипотез по поводу свойств эфира, но ни одна из них не удержалась в науке [1].


1 См.: Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Ижевск, 2001. Гл. 5.


229


В волновой теории света возникает еще одна кардинальная проблема — определение характера взаимодействия между движущейся Землей и эфиром как носителем световых волн; более широко — проблема взаимодействия между эфиром и веществом. Конкретно она выражалась в вопросе: увлекается или не увлекается эфир Землей при ее движении в Космосе. Если эфир не увлекается движущимися телами, значит, он является абсолютной системой отсчета, и тогда механические, электрические, магнитные и оптические процессы можно связать в единое целое. Если эфир увлекается движущимися телами, то он не является абсолютной системой отсчета, значит, существует взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях, но такое взаимодействие отсутствует в механических явлениях, следовательно, необходимо было по-разному объяснять явление аберрации, эффект Доп-плера и др. Эта проблема в течение всего XIX в., вплоть до возникновения специальной теории относительности, определяла развитие фундаментальных проблем теоретической физики. Особенно она обострилась после создания Дж.К. Максвеллом теории электромагнитного поля.


7.1.8. Возникновение полевой концепции. Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как реальной среде, являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось становление континуальной, полевой физики. Одновременно с возникновением волновой теории света формировалась совершенно новая парадигма физического исследования — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадлежит великому английскому физику М. Фарадею.