Концепции современного естествознания модуль 1 Естествознание: эволюция представлений

Вид материала

Закон

Содержание 4.5. Развитие представлений о природе света Первое уравнение Максвелла Второе уравнение Максвелла Четвертое уравнение Максвелла 5. Концепция естествознания хх века

Подобный материал:

• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Камчатский государственный технический университет, 33.59kb.
• Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
• Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
• Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
• Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
• Программа дисциплины концепции современного естествознания для студентов 3 курса очной, 191.37kb.

dS = δQ/T.

В статистической механике энтропия связывается с вероятностью осуществления данного состояния системы и определяется через натуральный логарифм статистического веса Г данного равновесного состояния:

S = k ln Г,

где k – постоянная Больцмана, одна из фундаментальных физических констант (k = 1,380662∙10²³ Дж/К).

Наиболее общая формулировка второго начала термодинамики, основанная на использовании понятия энтропии представляет собой закон возрастания энтропии: при всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессах ее энтропия возрастает и достигает максимально возможного значения в состоянии теплового равновесия:

dS > 0.

Следует отметить, что второе начало термодинамики не имеет столь абсолютного характера, как первое начало: оно нарушается при флуктуациях, т. е. случайных отклонениях параметров системы от их средних значений. В тепловых процессах флуктуации вызываются хаотическим движением образующих систему частиц. Наличие флуктуаций ограничивает пределы применимости термодинамических понятий лишь системами, содержащими большое количество частиц (молекул), поскольку только для таких систем флуктуации значительно меньше самих флуктуирующих величин. Вследствие флуктуаций система может случайным образом перейти из равновесного состояния в неравновесное, обладающее меньшей энтропией. Однако запрет на возможность создания вечного двигателя второго рода остается в силе: на основе флуктуаций его построить невозможно. Таким образом, закон возрастания энтропии в изолированной системе справедлив для средних величин, или с точностью до флуктуаций.

Движение и соударение молекул, ответственных за тепловые процессы в макросистемах, носят случайный, хаотический характер. Поэтому основные положения молекулярно-кинетической теории основываются на статистических, вероятностных представлениях. Одним из основных объектов молекулярно-кинетической теории является идеальный газ – абстрактная модель, согласно которой молекулы газа сталкиваются между собой и со стенками сосуда абсолютно упруго, а их собственный объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда.

Количественные законы, описывающие тепловые процессы в газах (законы Бойля–Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро), сформулированы и строго выполняются именно для идеальных газов. Объединяет эти законы уравнение Менделеева–Клапейрона (уравнение состояния идеального газа), согласно которому для единицы количества газа параметры его состояния (давление P, объем V и температура T) связаны соотношением:

PV = N kT,

где k – постоянная Больцмана (см. выше), а N – число частиц газа.

Из этого уравнения следует весьма важный вывод: средняя кинетическая энергия молекулы идеального газа зависит только от ее
температуры T:

E = 3/2 kT.

Таким образом, термодинамическая температура является мерой кинетической энергии (энергии теплового движения) идеального газа.

Модель идеального газа во многих случаях используется при изучении реальных газов (в условиях низких давлений и высоких температур), обеспечивая приемлемую точность. Более точно состояние реальных газов описывается уравнением Ван-дер-Ваальса, а также рядом других уравнений, содержащих поправки, которые учитывают отклонение свойств реального газа от свойств идеального.

Итак, термодинамика и молекулярная физика взаимно дополняют друг друга при изучении тепловых процессов, идя, можно сказать, рука об руку. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ независимо от их внутренней структуры и состояния. Однако при количественном исследовании реальных процессов методами термодинамики многие физические параметры приходится определять экспериментальным путем. Методы же статистической физики позволяют определить эти параметры на основе известных данных о строении веществ. В свою очередь, количественная теория, описывающая твердое и жидкое состояние вещества, оказывается весьма сложной, поэтому в ряде случаев гораздо удобнее прибегнуть к простым расчетам, основанным на термодинамических представлениях.

4.5. Развитие представлений о природе света

Классическая концепция Ньютона, обладая большим эвристическим потенциалом, до конца ХIХ в. способствовала интенсивному развитию физики. Однако в двух областях, связанных с изучением оптических и электромагнитных явлений, представления механистической картины мира столкнулись с определенными затруднениями, которые нарастали по мере накопления новых знаний.

При разработке теории оптических явлений Ньютон, придерживаясь логики своего принципа, рассматривал свет как поток материальных частиц – корпускул. Корпускулярная теория света исходила из представления о том, что светящиеся тела испускают поток мельчайших частиц, которые движутся в соответствии с законами механики. Такое представление позволило дать вполне удовлетворительное объяснение прямолинейности распространения света, а также законам отражения и преломления света, установленным опытным путем еще в античное время.

Однако в рамки корпускулярных представлений не укладывался тот факт, что два луча света, пересекаясь, проходят друг сквозь друга без каких-либо помех, хотя, казалось бы, какая-то часть корпускул должна испытывать взаимные соударения. По-видимому, аналогия с беспрепятственным прохождением друг сквозь друга двух рядов волн на воде вкупе с отражением таких волн от механических препятствий побудила нидерландского физика Христиана Гюйгенса к разработке альтернативной волновой теории света. Волновая теория рассматривала распространение света как продольные колебания, перемещающиеся в пространстве в виде волнового фронта. Но таким колебаниям для распространения нужна упругая среда, и Х. Гюйгенс в качестве такой среды ввел новую сущность – заполняющий все пространство светоносный эфир. Заметим, что впоследствии мы вернемся к вопросу о существовании мирового эфира и вспомним в этой связи о «бритве Оккама» («не умножай сущностей без надобности»).

Волновая теория также позволила успешно объяснить явления отражения и преломления света, но против нее существовал, как казалось, весьма веский аргумент. Опыт показывал, что волны обтекают препятствия, а луч света, распространяясь прямолинейно, при попадании на препятствие оставляет область тени с ярко выраженной границей. Вскоре, однако, это кажущееся противоречие удалось снять благодаря экспериментам итальянского физика и астронома Франческо Гримальди. В этих экспериментах при детальном рассмотрении области тени за препятствием были обнаружены перемежающиеся темные и светлые (!) полосы, т. е. было установлено, что часть светового потока огибает непрозрачное препятствие. Это явление, получившее название дифракции света, стало важным свидетельством в пользу корректности волнового принципа Гюйгенса.

Тем не менее авторитет Ньютона был настолько велик, а приверженность физиков механистической концепции описания природы – столь безоговорочна, что даже неспособность корпускулярной теории объяснить явление дифракции практически не поколебала ее господствующих позиций. К тому же Гюйгенс, сформулировав фундаментальный принцип волновой оптики, не довел его до разработки последовательной теории, которая могла бы противостоять воззрениям Ньютона.

Между тем в оптике было известно еще одно явление, которому корпускулярная теория не давала удовлетворительного объяснения. Речь идет об интерференции света – эффекте образования картины регулярного чередования областей повышенной и пониженной интенсивности (интерференционных полос) при наложении двух или нескольких световых пучков, исходящих из одного источника.

Удивительное свойство интерференции состоит в том, что в интерференционных полосах наблюдается как многократное усиление, так и гашение света светом, что никак не укладывается в рамки корпускулярных представлений. Волновая же концепция оказалась вполне адекватной этому, казалось бы, необъяснимому эффекту. В 1801 г. английский ученый Томас Юнг сформулировал на основе волновых представлений принцип интерференции, послуживший базой для объяснения всех интерференционных явлений. Одновременно французский физик Огюстен Френель, используя принцип Гюйгенса, дал волновое объяснение прямолинейности распространения света, а также объяснил многочисленные дифракционные эффекты.

После этого волновая теория получила всеобщее признание, а корпускулярные представления в оптике перестали рассматриваться… до начала ХХ в. Заметим, однако, что у корпускулярной теории света оставалась своя область применения – геометрическая оптика, основанная на использовании представлений о прямолинейности распространения света.

Развитие теоретических представлений о свете как об упругих колебаниях эфира приводило к необходимости искусственно приписывать эфиру ряд противоречивых качеств. Так, приходилось наделять эфир свойствами твердого состояния и одновременно допускать возможность свободного перемещения в нем физических тел. Эти трудности нарастали по мере дальнейшей разработки теории, и разрешить их удалось только после развития выдающимся английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом учения об электромагнитном поле. Основываясь на результатах исследований своего соотечественника Майкла Фарадея, Максвелл пришел к заключению о том, что свет представляет собой электромагнитные, а не упругие волны. Так возникла концепция электромагнитного поля.

Электрические и магнитные явления были известны давно, но долгое время изучались независимо. Явление электромагнетизма, в котором проявилась их глубокая и неразрывная взаимосвязь, было открыто в 1820 г. датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом, который обратил внимание на магнитное действие электрического тока (отклонение магнитной стрелки, помещенной вблизи проводника с электрическим током). Вскоре это явление магнитоэлектрической индукции получило объяснение в виде эмпирического закона, установленного французскими физиками Жаном Батистом Био и Феликсом Саваром.

Важнейший вклад в исследование электромагнитных явлений внес видный английский физик М. Фарадей. Он не только обнаружил, что переменное магнитное поле создает в проводнике (проводящем контуре) электрический ток (электромагнитная индукция), открыл ряд других важных явлений, но и ввел само понятие «силового поля», создав основы учения об электромагнитном поле. Более того, открыв в
1848 г. явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле, названное впоследствии его именем, Фарадей выявил глубокое родство электромагнетизма и оптики. Его работы послужили базой для математической разработки теории электромагнитных волн и электромагнитного поля, выполненной Максвеллом.

Приступая к разработке своей теории, Максвелл выдвинул гипотезу о том, что всякое переменное электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле и, наоборот, изменение магнитного поля вызывает появление переменного электрического поля.
В результате последовательного развития этой гипотезы были сформулированы, как теперь принято говорить, фундаментальные уравнения классической макро скопической электродинамики, описывающие электромагнитные явления в любой среде, а также в вакууме.

Первое уравнение Максвелла является обобщением на случай переменных полей эмпирического закона Био–Савара о возбуждении магнитного поля электрическими токами.

Второе уравнение Максвелла представляет собой математическую формулировку закона электромагнитной индукции Фарадея.

Третье уравнение Максвелла выражает твердо установленные опытные данные об отсутствии магнитных зарядов, аналогичных электрическим.

Четвертое уравнение Максвелла представляет собой обобщение закона взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закона Кулона) и обычно называется теоремой Гаусса.

Система этих уравнений, которые могут быть записаны как в интегральной, так и в дифференциальной форме, в совокупности с так называемыми уравнениями состояния, описывающими электромагнитные свойства конкретной материальной среды, позволяет рассчитывать в пределах своей применимости любые электромагнитные процессы, протекающие в любых средах. Мы не будем приводить здесь математическую запись уравнений Максвелла: они достаточно сложны. Имеет смысл запомнить в первую очередь то, что они определяют характеристики поля в зависимости от пространственного распределения зарядов и токов, являющихся его источниками.

В учении об электромагнетизме уравнения Максвелла играют такую же определяющую роль, как законы Ньютона в механике. Важнейшим выводом из уравнений Максвелла стало утверждение о возможности самостоятельного существования переменного электромагнитного поля, не локализованного вблизи электрических зарядов (токов), а распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. При этом вследствие взаимного порождения одного поля другим электрическое и магнитное поля существуют не обособленно, а только совместно. Независимые друг от друга электрические и магнитные поля существуют в стационарном случае, когда источником электрического поля служат только электрические заряды, а магнитного – только токи проводимости, обусловленные движением этих зарядов.

Теория Максвелла, обобщив основные законы электрических и магнитных явлений, не только позволила объяснить все известные к тому времени опытные факты, но и проявила мощный эвристический потенциал, предсказав существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью и не связанного с зарядами и токами. Этот вывод является чисто теоретическим: в первых двух уравнениях Максвелла с необходимостью фигурирует постоянная величина с, определяющая скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

В дальнейшем было показано, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света (которая к этому времени была уже с достаточной точностью измерена в экспериментах Армана Физо и Жана Фуко). На основе этого обстоятельства в процессе дальнейшего развития теории Максвеллом был сделан важнейший вывод о том, что свет представляет собой разновидность электромагнитных волн. Так возникла электромагнитная теория света, отразившая адекватным по отношению к реальности образом волновые представления, развивавшиеся Гюйгенсом, Френелем, Юнгом и другими учеными, исподволь подготовившими триумф теории Максвелла.

Потребовалось, правда, определенное время для того, чтобы подтвердить эти выводы на опыте. Теория Максвелла (классическая теория излучения) в основном была построена к 1865 г., и только в 1888 г. эксперименты немецкого физика Генриха Герца убедительно показали, что электромагнитные волны распространяются в пространстве именно со скоростью света, а все законы их возбуждения и распространения соответствуют уравнениям Максвелла.

В результате общепринятым стало представление о свете как о волне, но не упругой, а электромагнитной, две составляющие которой – электрическая и магнитная – колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях. Однако не только свет представляет собой электромагнитные волны. Теория Максвелла и ее экспериментальные подтверждения позволили установить, что радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение являются электромагнитными волнами с различной частотой колебаний (или с различной длиной волны).

Световые волны занимают лишь незначительный интервал шкалы электромагнитных волн (рис. 1), которая простирается от 10 ^{– 4} до 10¹⁴ нанометров (1 нм = 10 ^{– 9} м).

Таким образом, электромагнитная концепция Максвелла приводит к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, основанной на представлении об электромагнитном поле и описывающей множество процессов. Благодаря развитию электромагнитной теории в физике утвердилось новое понятие – понятие поля, которое позволило по-новому осознать и значительно расширить многие фундаментальные представления об окружающем мире.



Рис. 1

Долгое время в науке главенствовала концепция дальнодействия, согласно которой предполагалось, что взаимодействие между телами осуществляется непосредственно через пустое пространство, не участвующее в передаче взаимодействия, и происходит мгновенно, т. е.
с бесконечной скоростью.

После открытия и исследования свойств электромагнитного поля с очевидностью выявилось несоответствие концепции дальнодействия реальному физическому опыту. Согласно теории Максвелла, электромагнитное взаимодействие происходит с конечной скоростью, равной скорости света, что получило бесспорное экспериментальное подтверждение. Если говорить о взаимодействии электрически заряженных тел, то можно утверждать, что каждая заряженная частица создает электромагнитное поле, которое воздействует на другие частицы. Взаимодействие, таким образом, передается посредством распространения электромагнитного поля.

Естественно, была принята новая концепция – концепция близкодействия, которая в дальнейшем была распространена и на все другие виды взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством физических полей, непрерывным образом распределенных в пространстве.

В процессе философского осмысления новых представлений о природе, появившихся благодаря открытию электромагнитного поля, утвердилось понятие о поле как об особой форме материи, одном из ее возможных состояний, наряду с веществом. В рамках этих представлений издавна известные силы притяжения между вещественными телами стали трактоваться как гравитационное поле.

В дальнейшем классическая макроскопическая электродинамика Максвелла была дополнена классической же микроскопической электродинамикой, основной вклад в развитие которой внес видный голландский физик Хендрик Антон Лоренц. Эта теория базируется на представлении о веществе как совокупности осцилляторов, с которыми взаимодействует электромагнитное поле, и носит название электронной теории. Роль осцилляторов в электронной теории выполняют электроны, входящие в состав атомов и молекул и способные совершать в них колебания. Основные уравнения электронной теории были получены путем обобщения уравнений Максвелла, и их часто называют уравнениями Лоренца–Максвелла. Они описывают, по сути, взаимодействие излучения с веществом и при усреднении по ансамблю электронных осцилляторов переходят в уравнения Максвелла. Классическая (неквантовая) физика, к которой относится и теория Максвелла, рассматривает непрерывные поля. Такое представление вполне отвечает свойствам объектов макромира.

Можно считать, что развитие представлений об электромагнитных полях, дополнив механистическую картину мира, привело к созданию более сложной картины, завершившей в основном классическое описание мира.

5. КОНЦЕПЦИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ХХ ВЕКА

5.1. Концепция относительности пространства-времени

Развитие электромагнитной теории оказалось чрезвычайно продуктивным для формирования новых представлений об окружающем мире. Открытие существования поля в пространстве между частицами и зарядами послужило весьма существенным фактором для описания физических свойств пространства и времени.

К началу ХХ в. стало ясным, что попытки применения законов классической электродинамики для исследования электромагнитных процессов в движущихся средах столкнулись с серьезными трудностями. Не удавалось также в рамках известных на то время представлений объяснить отрицательный результат опыта американского физика Альберта Майкельсона по обнаружению мирового эфира. Считающийся классическим, опыт Майкельсона, впервые выполненный в 1881 г. и многократно повторяемый со все большей точностью, показал независимость скорости света от движения Земли, что полностью противоречило гипотезе неподвижного эфира. В науке сложилась критическая ситуация, необходим был интеллектуальный прорыв. Вскоре такой прорыв был осуществлен Альбертом Эйнштейном.

Совместное рассмотрение принципов классической механики Галилея–Ньютона и электродинамики Максвелла–Лоренца привело Альберта Эйнштейна к созданию в 1905 г. специальной теории относительности. Эта теория описывает все физические процессы, происходящие при скоростях движения, близких к скорости света, без учета гравитационного взаимодействия. При переходе к рассмотрению движения со скоростями, существенно меньшими, чем скорость света, она автоматически сводится к классической механике, которая, таким образом, становится ее частным случаем.

Основополагающими принципами классической физики являются принцип относительности в механике и принцип постоянства скорости света в электродинамике. Синтезируя механику и электромагнетизм, Эйнштейн, следуя Пуанкаре (см. выше), сформулировал обобщенный принцип относительности. Суть его состоит в том, что никакими физическими опытами, производимыми в той или иной системе отсчета, невозможно выявить разницу между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Иными словами, этот принцип означает, что во всех инерциальных системах отсчета все физические процессы происходят одинаковым образом.

Для того чтобы сформулировать этот принцип, необходимо было убедиться в том, что принцип относительности выполняется и для электромагнитных явлений. Дело в том, что представления о мировом эфире определяли для электромагнитного излучения, и в частности света, привилегированную систему отсчета, покоящуюся относительно эфира. Казалось очевидным, что в системе отсчета, движущейся относительно эфира, оптические и электромагнитные явления будут происходить иначе, чем в неподвижной. Однако все эксперименты, направленные на обнаружение таких различий, давали отрицательный результат. Для объяснения этих неудач голландский физик Хендрик Лоренц и французский математик Анри Пуанкаре построили теорию, из которой следовало, что эффекты, связанные с движением относительно эфира, компенсируются.