Разработка электромагнитной картины мира. Механическая,электромагнитная и квантово-релятивистская научная картина мира - закон Становление электромагнитной картины мира кратко

Лекции 7-9

ТЕМА: ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ КАРТИН МИРА, ч. III

1. Электромагнитная картина мира 1

1.1 Формирование понятия электромагнитного поля 1

как новой физической реальности 1

1.2. Специальная теория относительности 2

1.3 Общая теория относительности. 4

1.4 Основные понятия и принципы ЭМКМ 5

2. Квантово-полевая картина мира 6

2.1 Формирование идеи квантования физических величин 6

2.2 Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества 7

2.3 Основные понятия и принципы КПКМ 8

1. Электромагнитная картина мира

18-й век, ознаменовавшийся становлением МКМ, фактически положил начало и систематическим исследованиям электрических явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине 18 в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б.Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения + и – для зарядов ).

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р.Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,610 -19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда (электрон, имеющий массуmo e =9,110 -31). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порцийq=ne, гдеn– целое число.

В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в 18-19 вв. был получен ряд важнейших законов (закон сохранения точечного заряда, закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона, открытие Эрстедом магнитного поля у проводника с током, законы Ома, Джоуля-Ленца). А.М.Ампер создал новую науку об электричестве – электродинамику, а экспериментальные исследования М.Фарадея, в результате которых был открыт закон электромагнитной индукции, привели его к идее существования электромагнитных волн.

1.1 Формирование понятия электромагнитного поля как новой физической реальности

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла. Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введенановая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью,материальным носителем взаимодействия.

Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. (Действительно, вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)

Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».

Развитие корпускулярно-континуальных представлений в трудах Максвелла. Развивая теорию электромагнитного поля, Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц». Это было сказано в 1873 г. задолго до открытия электрона. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.

Разработав ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А.Эйнштейна.

Раздел 1. Механическая научная картина мира……………………..3-5

Раздел 2. Электромагнитная научная картина мира..……………….6-8

Раздел 3 Квантво-релятивистская научная картина мира…………..9-10

Выводы…………………………………………………………………11-13

Лтература……………………………………………………………....14

Раздел 1 . Механическая научная картина мира.

В истории науки научные картины мира не оставались неизменными, а сменяли друг друга, таким образом, можно говорить об эволюции научных картин мира. Наиболее наглядной представляется эволюция физических картин мира: натурфилософской – до 16-17вв, механистической – до второй половины 19 в.,термодинамической (в рамках механистической теории) в 19 в, релятивистской и квантово-механической в 20-м веке.

Механическая картина мира складывалась под влиянием материалистических представлений о материи и формах ее существования. Основополагающими идеями этой картины Мира являются классических атомизм, восходящий к Демокриту и так называемый механицизм. Само становление механической картины справедливо связывают с именем Галилео Галилея, впервые применившего для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и последующей математической обработкой результатов. Этот метод принципиально отличался от ранее существовавшего натурфилософского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались априорные (

Законы движения планет, открытые Иоганном Кеплером, в свою очередь, свидетельствовали о том, что между движениями земных и небесных тел не существует принципиальной разницы (как полагал Аристотель), поскольку все они подчиняются определенным естественным законам.

Ядром механической картины мира является механика Ньютона (классическая механика).Формирование классической механики и основанной на ней механической картины мира происходило по 2-м направлениям:

1) обощения полученных ранее результатов и, прежде всего, законов свободного падения тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;

2) создания методов для количественного анализа механического движения в целом.

В первой половине 19 в. наряду с теоретической механикой выделяется и прикладная (техническая) механика, добившаяся больших успехов в решении прикладных задач. Все это приводило к мысли о всесилии механики и к стремлению создать теорию теплоты и электричества так же на основе механических представлений. Наиболее четко эта мысль была выражена в 1847 г. физиком Германом Гельмгольцем в его докладе “О сохранении силы”: “Окончательная задача физических наук заключается в том, чтобы

явления природы свести к неизменным притягательным и отталкивающим силам, величина которых зависит от расстояния”

В любой физической теории присутствует довольно много понятий, но среди них есть основные, в которых проявляется специфика этой теории, ее базис, мировоззренческая сущность. К таким понятиям относят так называемые фундаментальные понятия, а именно:

Материя,

Движение,

Пространство,

Взаимодействие.

Каждое из этих понятий не может существовать без четырех остальных.

Важнейшими принципами механической картины мира являются:

Принцип относительности,

Принцип дальнодействия,

Принцип причинности.

Принцип относительности Галилея. Принцип относительности Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны). Переход от одной ИСО к другой осуществляется на основе преобразований Галилея

Принцип дальнодействия. В механичечкой картине мира было принято, что взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Это положение и было названо принципом дальнодействия.

Принцип причинности. Как уже было сказано, в механической картине мира все многообразие явлений природы к механической форме движения материи (механистический материализм, механицизм). С другой стороны известно, что беспричинных явлений нет, что всегда можно (принципиально) выделить причину и следствие. Причина и следствие взаимосвязаны, влияют друг на друга. Следствие одной причины может стать причиной другого следствия. Эту мысль развивал математик Лаплас, утверждая следующее: “Всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины. Противоположное мнение есть иллюзия ума.” т.е. Лаплас полагал, что все связи между явлениями осуществляется на основе однозначных законов. Это учение обусловленности одного явления другим, об их однозначной закономерной связи вошло в физику как так называемый лапласовский детерминизм (детерминизм – предопределенность).

Раздел 2. Электромагнитная картина мира .

Наибольший вклад в формирование данного представления о мире внесли работы М. Фарадея и Д. Максвелла. После создания последним на основе открытого Фарадеем явления электромагнитной индукции теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с ней мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть какположительным, так и отрицательным; напряженность поля - сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую (покоящиеся заряды) и магнитную (движущиеся заряды) силы, называется электромагнитной. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла. Это - закон Ш. Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона; магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца, магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем.

Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Но нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Электромагнитная картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

Случайность все еще пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы.

Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежнего механического представления о мире. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет относительный характер. Поэтому на смену ей пришла новая - квантово-полевая - картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.нные однозначные связи между явлениями

Раздел 3. Квантово-полевая картина мира . В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория - квантовая механика, описывающая состояние и движение микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.

В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). В квантовой механике, в отличие от классической физики, поведение каждой микрочастицы подчиняется нединамическим, а статистическим законам.

Общая картина реальности в квантово-полевой картине мира как бы двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой - условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.

Ушли в прошлое представления о неизменности материи, о возможности достичь конечного предела ее делимости.

Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий, которых известно четыре вида: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов, которые способствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе мира лежат случайность, вероятность.

Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

Выводы.

Каждая из рассматриваемых картин мира интерпритирует понятия; материя пространство и время по разному.

Согласно механической картине мира – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц – атомов, т.е. в МКМ были приняты дискретные (дискретный – “прерывный”), или, другими словами, корпускулярные представления о материи. Вот почему важнейшими понятиями в механике были понятия материальной точки и абсолютно твердого тела (Материальная точка – тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, абсолютно твердое тело – система материальных точек, расстояние между которыми всегда остается неизменным).

Пространство. Вспомним, что Аристотель отрицал существование пустого пространства, связывая пространство, время и движение. Атомисты 18-19 вв. наоборот, признавали атомы и пустое пространство, в котором атомы движутся. Ньютон, впрочем, рассматривал два вида пространства:

· относительное, с которым люди знакомятся путем измерения пространственных отношения между телами;

· абсолютное, которое по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было и внешнему и остается всегда одинаковым и неподвижным; т.е. абсолютное пространство – это пустое вместилище тел, оно не связано со временем, и его свойства не зависят от наличия или отсутствия в нем материальных объектов. Пространство в Ньютоновской механике является

Впоследствии А. Эйнштейн, анализируя понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, писал: “Если бы материя исчезла, то осталось бы только пространство и время (своего рода сцена, на которой разыгрываются физические явления)”. В этом случае пространство и время не содержат никаких особых “меток”, от которых можно было бы вести отсчет и ответить на вопросы “Где?” и “Когда?” Поэтому для изучения в них материальных объектов необходимо вводить систему отсчета (систему координат и часы). Система отсчета, жестко связанная с абсолютным пространством, называется инерциальной. Пространство в Ньютоновской механике является:

Трехмерным (положение любой точки можно описать тремя координатами),

Непрерывным,

Бесконечным,

Изотропным (свойства пространства не зависят от направления).

Пространственные отношения в МКМ описываются геометрией Евклида.

Время.Ньютон рассматривал два вида времени, аналогично пространству: относительное и абсолютное. Относительное время люди познают в процессе измерений, а абсолютное (истинное, математическое время) само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Таким образом, и время у Ньютона, аналогично пространству – пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему.

В свою очередь,в квантово-полевой картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Они перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел.

В электромагнитной картине мира кардинально изменились представления о материи..

Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.

Литература.

1)Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебное пособие. М.: Омега –Л, 2008. -239 с.

2)Липовко П.О. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. Ростов н/Д: Феникс, 2004. - 512 с.

Технической революции. Квантово -релятивистская научная картина мира стала... механический детерминизм, абсолютно исключающий элемент случайного из картины мира ...

В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпал вопрос о построении механической модели эфира, несовпадении механических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма. Основная трудность в объяснении света при помощи понятия эфира состояла в следующем: если эфир - сплошная среда, то он не должен препятствовать движению в нем тел и, следовательно, должен быть подобен очень легкому газу. В опытах со светом были установлены два фундаментальных факта: световые и электромагнитные колебания являются не продольными, а поперечными, и скорость распространения этих колебаний очень велика. В механике же было показано, что поперечные колебания возможны только в твердых телах, причем скорость их зависит от плотности тела. Для такой большой скорости, как скорость света, плотность эфира во много раз должна была превосходить плотность стали. Но тогда, как же двигаются тела?

Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл. При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира.

Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.

Движение понималось не только как простое механическое перемещение, первичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики.

Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени не подходила к полевым представлениям. Поскольку поле является абсолютно непрерывной материей, пустого пространства просто нет. Так же и время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи сущностями. Понимание пространства и времени как абсолютных уступило место реляционной (относительной) концепции пространства и времени.

Новая картина мира требовала нового решения проблемы взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия; любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. *

Хотя законы электродинамики, как и законы классической механики, однозначно предопределяли события, и случайность все еще пытались исключить из физической картины мира, создание кинетической теории газов ввело в теорию, а затем и в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов.

Однако и на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности. Так, согласно электромагнитной картине мира, заряд стал считаться точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира рассматривалась в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой. Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона 1881 - 1887 гг., где он пытался обнаружить движение тела по инерции при помощи приборов, находящихся на этом теле. По теории Максвелла, такое движение можно было обнаружить, но опыт не подтверждал этого. Но тогда об этих мелких неприятностях и неувязках физики постарались забыть, более того, выводы теории Максвелла были абсолютизированы, так что даже такой крупный физик, как Кирхгоф, считал, что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.

Но к концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теории и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи: трудности в объяснении фотоэффекта, линейчатый спектр атомов, теория теплового излучения.

Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили Лоренц и Пуанкаре, чьи работы завершают доэйнштейновский период развития физики.

Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития.

Именно так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной в рамках электромагнитной картины мира. В этой теории, созданной в 1916 г., Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения, для чего ввел Понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс.

Но даже создание этой теории уже не могло спасти электромагнитную картину мира. С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей. На этой основе появились эмпирические модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира. А в 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности процессов излучения.

Диалектика природы и естествознания Константинов Федор Васильевич

3. Электромагнитная картина мира

В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными (от лат, continuum - непрерывность). Он писал: «Я чувствую большое затруднение в представлении атомов материи с промежуточным пространством, не занятым атомами…» Он сделал вывод о том, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпадал вопрос о построении механической модели эфира, о непримиримости механических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма. Основная трудность в объяснении света с помощью предполагаемого эфира состояла в следующем: если эфир - сплошная среда, то он не должен препятствовать движению в нем тел и, следовательно, должен быть подобен очень легкому газу. В опытах же со светом были установлены два фундаментальных факта: во-первых, световые и электромагнитные колебания являются не продольными, а поперечными и, во-вторых, скорость распространения этих колебаний очень велика - порядка 3 х 10 5 км/сек. В механике же было показано, что поперечные колебания возможны лишь в твердых телах, причем скорость их зависит от плотности этих тел.

Для такой большой скорости, как скорость света, плотность эфира во много раз должна превосходить плотность стали. Но тогда непонятно, как же такой сверхплотный эфир не препятствует движению в нем тел? На протяжении всего XIX и частично XX в. продолжались упорные попытки разрешить эти трудности в представлениях об эфире, хотя фактически еще М. Фарадей в 1844 г. нашел правильное решение проблемы. Чтобы принять это решение, надо было совершить революцию в представлениях о материи и движении.

Д. К. Максвелл был одним из первых, кто должным образом оценил значение взглядов Фарадея на природу. При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы. Согласно взглядам Фарадея, электромагнитное поле - тонкая невещественная материя, первичная по отношению к атомам и телам; движение - распространение колебаний в поле - первично по отношению к перемещению тел. Пустого пространства нет, так как поле является абсолютно непрерывной материей; время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле; не соответствует действительности и ньютоновский принцип дальнодействия: любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью (фарадеевский принцип близкодействия).

Руководствуясь этими представлениями о физической реальности, Дж. Максвелл в 1867 г. построил теорию электромагнетизма. Вследствие своего революционного характера она долгое время казалась трудной и непонятной для тех физиков, в умах которых продолжала господствовать механическая картина природы. Трудности усвоения теории электромагнетизма усугублялись еще и тем, что она выражалась при помощи более сложных, чем в механике, математических уравнений. Но они удивительно хорошо объясняли все известные факты.

Тем не менее физикам, не владевшим диалектикой, казалось, что если эфир отброшен, то отброшена и материя; признать же поле за материю они не могли. В физике начались «шатания мысли». Как отмечал В. И. Ленин:

«„Материя исчезает“, остаются одни уравнения… получается старая кантианская идея: разум предписывает законы природе». «Такова первая причина „физического“ идеализма. Реакционные поползновения порождаются самим прогрессом науки», - делает вывод В. И. Ленин.

Объективный ход развития физики неизбежно привел к ломке старых фундаментальных понятий и принципов, к формированию новых. Непримиримое противоречие между механической картиной мира и опытными данными разрешилось крушением первой. Вместо нее возникло новое миропонимание - электромагнитная картина мира, и начался новый период в развитии физики.

Ученые занялись математической разработкой теории Дж. Максвелла, как это имело место и после создания механики Ньютона. Вернее сказать, с появлением электромагнитной картины мира начался этап интенсивного эволюционного развития физики на новой основе. Взгляды М. Фарадея и Дж. Максвелла произвели подлинную революцию в представлениях о природе. В качестве исходной материи здесь оказалась не совокупность неделимых атомов, перемещающихся в пустоте, а единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и с волновыми движениями в нем. Основными законами мироздания оказались не законы механики, а законы электродинамики. В связи с этим менялись и методы научного исследования.

Теория электромагнетизма Максвелла объяснила большой круг явлений, не понятых с точки зрения прежней механической картины мира. Кроме того, она глубже вскрывала материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов. Последние послужили базой для электромагнитной теории света. При этом была построена единая шкала электромагнитных колебаний от самых длинных радиоволн до коротких рентгеновских и гамма-излучений. На первых порах успешно разрабатывалась и электронная теория строения вещества. Ученые пытались и механические движения объяснить с помощью электродинамики. Строились доказательства электромагнитного происхождения массы, была найдена формула зависимости массы от скорости (М. Абрагам).

Однако на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности. Так, согласно электромагнитной картине мира, заряд считался точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории Г. А. Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира рассматривалась в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой. Однако это допущение не снимало трудностей. Полученная опытным путем формула зависимости массы от скорости не совпадала с рассчитанной на основе теории. Вскоре появились и другие расхождения теории и опыта. Непонятным оказался результат опытов, проведенных в 1881–1887 гг. Майкельсоном. В этом опыте он пытался обнаружить движение тела по инерции при помощи приборов, находящихся на этом же теле. По теории Максвелла, такое движение можно обнаружить, но опыт не подтверждал этого.

В конце XIX - начале XX в. исследования показали, что взгляды Максвелла на физическую реальность были внутренне противоречивы. Приняв новые взгляды на материю и движение, заменив механические законы природы на электродинамические, он сохранил ньютоновские представления об абсолютности пространства и времени. Но в самих уравнениях электродинамики неявно содержалось предположение об относительности пространства и времени, чего сам Максвелл, как и другие физики того времени, не заметил.

Электродинамический этап развития физики делится на два периода: от Фарадея и Максвелла до Эйнштейна и после Эйнштейна по настоящее время. В первый период в результате некоторой недостроенности новой картины мира (сохранение ньютоновских представлений о пространстве и времени) в построении электродинамических теорий имелись внутренние противоречия, о которых мы говорили ранее. Однако этому не придавалось принципиального значения. Более того, выводы теории Максвелла были абсолютизированы, так что даже такой крупный физик, как Г. Кирхгоф, восклицал: «Разве осталось что-либо еще открывать?»

Однако к концу XIX в. все больше накапливалось необъяснимых несоответствий теории и опыта. Последние следует разделить на две группы. Одни были обусловлены указанной выше недостроенностью электромагнитной картины мира. Другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи, т. е. выходили за пределы этой картины. К последним следует отнести трудности в объяснении фотоэффекта, открытого в 1887 г., линейчатых спектров атомов, но особенно большие трудности возникали при попытках построить теорию теплового излучения. Эмпирические законы, установленные в этой области, не согласовывались с новой картиной мира.

Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и фактически отказывались от них. Работами этих ученых, прежде всего Г. Лоренца и А. Пуанкаре, завершается доэйнштейновский период развития электродинамической физики.

Однако концепция абсолютности пространства и времени И. Ньютона, базировавшаяся на их независимости от характера и природы движущихся тел, не была отброшена сразу. Открытия А. Эйнштейна, теоретически обосновавшие тезис единства материи, движения, пространства и времени, победили тогда, когда была доказана диалектическая связь пространства и времени как форм движения материи с природой движущихся систем. Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Взгляды Эйнштейна опирались на более правильное и глубокое философское понимание сущности электродинамической физики, что дало ему возможность устранить из электромагнитной картины мира ньютоновское понимание пространства и времени, заменив их такими, которые соответствовали полевым континуальным представлениям о материи и движении. Тем самым новая картина мира была создана в виде системы согласованных между собой понятий, принципов и гипотез.

С появлением теории относительности Эйнштейна (1905 г.) начинается второй период в развитии физики. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития. Прежде всего были разработаны новые специальные теории: релятивистская «динамическая» механика, релятивистская «феноменологическая» термодинамика, релятивистская статистическая механика. Что касается электродинамики Максвелла, то она была дополнена электродинамикой движущихся тел.

Первой качественно новой теорией этого периода стала общая теория относительности (1916 г.), которая фактически является теорией тяготения. Чтобы ее построить, в электромагнитную картину мира А. Эйнштейном было введено понятие о кривизне пространства-времени, что расширяло конкретные представления о пространстве и времени. Как известно, по Ньютону, тяготение определялось как особая способность тел мгновенно притягивать друг друга при любых расстояниях между ними. Такое понимание тяготения является поверхностным, однако оно просуществовало в физике более 200 лет. Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения. При этом большое философское значение имеет введенная Эйнштейном зависимость кривизны пространства-времени от распределения масс, т. е. от таких видов материи, как вещество и поле. Тем самым получило подтверждение известное положение материалистической диалектики о взаимосвязи пространства, времени и движущейся материи.

К тому же в результате новых экспериментальных открытий в области строения вещества в конце XIX - начале XX в. все больше обнаруживалось непримиримых противоречий между электромагнитной картиной мира и опытными фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и было установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие, которое сопровождается испусканием?-лучей (ионов гелия) и?-лучей (электронов). Изучение этих явлений создало основу для построения эмпирических моделей атома. Такого рода модели, построенные на основе опытных данных, противоречили электромагнитной картине мира.

В 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности (квантовом характере) процессов излучения. Сам Планк, в то время приверженец электромагнитной картины мира, отмечал, что он испытывает отвращение к такой странной гипотезе, разрушающей стройное здание электродинамики Максвелла. Однако гипотеза Планка о квантах излучения оказалась очень плодотворной.

Противоречия между электромагнитной картиной мира и новыми открытиями в области строения атома и законов излучения становились все более непримиримыми. Назревала новая революция в физике, связанная с заменой существующей картины мира квантово-полевой.

Тема 11. Человек во Вселенной. Философская, религиозная и научная картина мира 11.1. Концепция бытия – фундамент ф илософской картины мира Основная задача каждой философии заключается в решении проблемы наличного бытия мира. Решением этой проблемы занимались все философы,