Главная | Обратная связь

Кризис в физике на рубеже веков.

Вторая половина XIX в. характеризуется быстрым развитием всех сложившихся ранее и возникновением новых разделов физики. Однако особенно быстро развиваются теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты развивается по двум направлениям. Во-первых, это развитие термодинамики, непосредственно связанной с теплотехникой. Во-вторых, развитие кинетической теории газов и теплоты, приведшее к возникновению нового раздела физики – статистической физики. Что касается электродинамики, то здесь важнейшими событиями явились: создание теории электромагнитного поля, и возникновение нового раздела физики – теории электронов.

Величайшим достижение физики второй половины ХIХ века является создание теории электромагнитного поля. К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован целый ряд важных закономерностей. Так, были открыты важнейшие законы: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Полного теоретического единства во взглядах физиков на электрические и магнитные явления не было. Однако к середине XIX в. потребность в качественном совершенствовании теоретического базиса учений о об электрических и магнитных процессах стала совершенно очевидной. Появляются отдельные попытки создания единой теории электрических и магнитных явлений. Одна из них оказалась успешной. Это была теория Максвелла, которая произвела подлинный революционный переворот в физике.

Максвелл и поставил перед собой задачу перевести идеи и взгляды Фарадея на строгий математический язык, или, говоря другими словами, интерпретировать известные законы электрических и магнитных явлений с точки зрения взглядов Фарадея. Будучи блестящим теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж. К. Максвелл справился с этой сложнейшей задачей. Результатом его трудов оказалось построение теории электромагнитного поля, которая была изложена в работе “Динамическая теория электромагнитного поля”, опубликованной в 1864 г.

Эта теория существенно изменяла представления о картине электрических и магнитных явлений. Она их объединяла в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.

Электромагнитное поле - реально и существует независимо от того, имеются проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его, или нет. Максвелл определял это поле следующим образом: “... электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе, и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии”.

Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля, и наоборот.

Векторы напряжений электрического и магнитного полей - перпендикулярны. Это и объясняло, почему электромагнитная волна исключительно поперечна.

Теория электромагнитного поля исходила из того, что передача энергии происходит с конечной скоростью. И таким образом она обосновывала принцип близкодействия.

Скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света (с). Из этого следовала принципиальная тождественность электромагнитных и оптических явлений. Оказалось, что различия между ними только в частоте колебаний электромагнитного поля.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1887 г. в опытах Г. Герца (1857-1894) произвело большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла получает признание подавляющего большинства ученых.

Во второй половине ХIХ века предпринимаются попытки придать понятию абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета новое научное содержание, очистив их от того метафизического смысла, который был придан им Ньютоном. В 1870 г. К. Нейман ввел понятие a -тела, как такого тела во Вселенной, которое является неподвижным и которое можно считать за начало абсолютной системы отсчета. Некоторые физики предлагали принять за a -тело такое тело, которое совпадает с центром тяжести всех тел во всей Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно считать находящимся в абсолютном покое.

Комплекс вопросов об абсолютном пространстве и абсолютном движении приобрел новый смысл в связи с развитием электронной теории и возникновением гипотезы об электромагнитной природе материи. Согласно электронной теории существует неподвижный всюду эфир и движущиеся в нем заряды. Неподвижный эфир заполняет все пространство и с ним можно связать систему отсчета, которая является инерциальной и, более того, выделенной из всех инерциальных систем отсчета. Движение относительно эфира можно рассматривать как абсолютное. Таким образом, на смену абсолютному пространству Ньютона пришел неподвижный эфир, который можно рассматривать как своего рода абсолютную и к тому же инерциальную систему отсчета.

Однако такая точка зрения уже с самого начала испытывала принципиальные затруднения. Об абсолютном движении тела, т. е. движении относительно эфира, можно говорить и представить, но определить это движение невозможно. Целый ряд опытов (Майкельсона и другие), поставленные с целью обнаружения такого движения, дали отрицательные результаты. Таким образом, хотя абсолютная система отсчета и была, как казалось, найдена, тем не менее, она, как и абсолютное пространство Ньютона, оказалась ненаблюдаемой. Лоренц для объяснения результатов, полученных в этих опытах, вынужден был ввести специальные гипотезы, из которых следовало, что, несмотря на существование эфира, движение относительно него определить невозможно.

Однако вопреки таким мнениям все чаще и чаще высказывались соображения о том, что само понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения как движения относительно некоего абсолютного пространства лишено всякого научного содержания. Вместе с этим лишается содержания и понятие абсолютной системы отсчета и вводится более общее понятие инерциальной системы отсчета, не связанное с понятием абсолютного пространства. В результате понятие абсолютной системы координат становится бессодержательным. Иначе говоря, все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием каких-либо других тел, равноправны.

В 1886 г. Л. Ланге, проводя исторический анализ развития механики, и утверждая бессодержательность понятия абсолютного пространства, предложил определение инерциальной системе координат: инерциальные системы - это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу. Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея.

Преобразования Галилея в течение столетий считались само собой разумеющимися и не нуждающимися ни в каком обосновании. Но время показало, что это далеко не так.

В конце XIX в. с резкой критикой ньютоновского представления об абсолютном пространстве выступил немецкий физик, позитивист Э. Мах. В основе представлений Маха как физика лежало убеждение в том, что “движение может быть равномерным относительно другого движения. Вопрос, равномерно ли движение само по себе, не имеет никакого смысла”. В связи с этим Мах рассматривал системы Птолемея и Коперника как равноправные, считая последнюю более предпочтительной из-за простоты.) Это представление он переносит не только на скорость, но и на ускорение. В ньютоновской механике ускорение (в отличие от скорости) рассматривалось как абсолютная величина. Согласно классической механике, для того чтобы судить об ускорении, достаточно самого тела, испытывающего ускорения. Иначе говоря, ускорение – величина абсолютная и может рассматриваться относительно абсолютного пространства, а не относительно других тел. (Ньютон аргументировал это положение примером с вращающимся ведром, в котором налита вода. Этот опыт показывал, что относительное движение воды по отношению к ведру не вызывает центробежных сил и можно говорить о его вращении самом по себе, безотносительно к другим телам, т.е. остается лишь отношение к абсолютному пространству.) Этот вывод и оспаривал Мах.

С точки зрения Маха всякое движение относительно пространства не имеет никакого смысла. О движении, по Маху, можно говорить только по отношению к телам. Поэтому все величины, определяющие состояние движения, являются относительными. Значит, и ускорение – также чисто относительная величина. К тому же опыт никогда не может дать сведений об абсолютном пространстве. Он обвинил Ньютона в отступлении от принципа, согласно которому в теорию должны вводиться только те величины, которые непосредственно выводятся из опыта.

Однако, несмотря на идеалистический подход к проблеме относительности движения, в соображениях Маха были некоторые интересные идеи, которые, способствовали появлению общей теории относительности. Речь идет о т.н. “принципе Маха”. Мах выдвинул идею, согласно которой инерциальные силы следует рассматривать как действие общей массы Вселенной. Этот принцип впоследствии оказал значительное влияние на А. Эйнштейна. Рациональное зерно “принципа Маха” состояло в том, что свойства пространства-времени обусловлены гравитирующей материей. Но Мах не знал, в какой конкретной форме выражается эта обусловленность.

К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков и результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий. Так, английский математик Клиффорд в 70-х годах высказал идею, что многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что кривизна пространства может изменяться со временем. Клиффорда принадлежит к числу немногочисленных в ХIХ веке провозвестников эйнштейновской теории гравитации.

Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые непосредственно привели к научной революции на рубеже ХIХ-ХХ веков. Важнейшие из них: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности, фотоэффекта и его законов и др.

В 1895 г. Вильгельм Рентген (1845 – 1923) открыл необычные лучи, которые впоследствии получили название рентгеновских. Открытие этих лучей заинтересовало физиков и буквально сразу вызвало чрезвычайно широкую дискуссию о природе этих лучей. В течение короткого времени были выяснены необычные свойства этих лучей: способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и др. Но природа самих лучей оставалась неясной. Рентген высказал гипотезу о том, что лучи представляют собой продольные электромагнитные волны. Существовала гипотеза о корпускулярной природе этих лучей. Однако все попытки обнаружить волновые свойства лучей Рентгена, например, наблюдать их дифракцию, долгое время были безуспешными. (Только в 1925 г. немецкому физику Лауэ удалось обнаружить дифракцию рентгеновских лучей от кристаллической решетки).

Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей.

Важнейшим открытием в физике конца XIX в. было открытие радиоактивности, которое помимо своего общего принципиального значения сыграло важную роль в развитии представлений об электроне. Все началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934), занявшись исследованием нового явления, пришла к выводу, что в урановых рудах присутствуют вещества, обладающие также свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри (1859 – 1906), удалось выделить из урановых руд новый элемент (1898), который обладал радиоактивностью гораздо большей, чем уран. Этот элемент был назван радием.

Исследованием вновь открытых явлений занялись многие физики. Нужно было определить природу радиоактивных лучей, а также, какое влияние на радиоактивность оказывают физические условия, в которых находятся радиоактивные вещества, и т. д. Все эти вопросы начали проясняться в результате последующих исследований. В связи с изучением радиоактивных явлений перед физиками встало два главных вопроса.

Во-первых, это вопрос о природе радиоактивного излучения. Уже через короткое время после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название a -, b - и g -лучей. При этом оказалось, что a - и b -лучи являются потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц. Природа g - излучения была выяснена позже, хотя довольно рано высказывалось мнение, что оно представляет собой электромагнитное излучение.

Второй вопрос, возникший в связи с исследованием радиоактивного излучения, был более трудным и заключался в определении источника энергии, которую несут эти лучи. Что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, был неясен, как и вообще вопрос о механизме самого радиоактивного распада, а первые теории, возникшие для решения этого вопроса, нельзя было считать убедительными.

К великим открытиям второй половины ХIХ века должны быть отнесено создание периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом ряду и еще одно очень важное открытие – обнаружение того, что отношение заряда к массе для электрона не является постоянной величиной, а зависит от скорости.

Открытие зависимости массы электрона от скорости и объяснение этого факта наличием электромагнитной массы вызвали вопрос, обладает ли вообще электрон обычной массой, массой в смысле классической механики, массой в смысле Ньютона. Этот вопрос не мог быть решен.

Некоторым ученым начинает казаться, что само развитие науки приводит к отказу от признания существования материи и справедливости общих важнейших физических законов. Открытие радиоактивности также приводит таких ученых в растерянность.

В таких условиях в физике складывается атмосфера разочарования в возможностях научного познания истины, начинается “брожение умов”, распространяются идеи релятивизма и агностицизма. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX – ХХ вв., Пуанкаре назвал “кризисом физики”. “Признаки серьезного кризиса” физики он в первую очередь связывал с возможностью отказа от фундаментальных принципов физического познания. “Перед нами “руины” старых принципов, всеобщий “разгром” таких принципов”, – восклицал он. “Принцип Лавуазье” (закон сохранения массы), “принцип Ньютона” (принцип равенства действия и противодействия, или закон сохранения количества движения), “принцип Майера” (закон сохранения энергии) – все эти фундаментальные принципы, которые долгое время считались незыблемыми, теперь подвергают сомнению.

На рубеже ХIX – ХХ вв. многие ученые, пытаясь осмыслить состояние физики, приходили к выводу о том, что само развитие науки показывает ее неспособность дать объективное представление о природе, что истины науки носят чисто относительный характер, не содержат в себе ничего абсолютного, что ни о какой объективной реальности, существующей независимо от сознания людей, не может быть и речи.

На самом же деле проблема состояла в том, что концу ХIХ века методологические установки классической, ньютоновской физики уже исчерпали себя и необходимо было изменять теоретико-методологический каркас естественнонаучного познания. Возникла необходимость расширить и углубить понимание и самой природы и процесса ее познания наукой. Не существует никакой абсолютной субстанции бытия, с познанием которой завершается прогресс науки. Как бесконечна, многообразна и неисчерпаема сама природа, так бесконечен, многообразен и неисчерпаем процесс ее познания естественными науками. Электрон так же неисчерпаем, как и атом. Каждая естественнонаучная картина мира является относительной и преходящей. Процесс научного познания необходимо связан с периодической крутой ломкой старых понятий, теорий, картин мира, методологических установок, способов познания. А “физический идеализм” является просто следствием непонимания некоторыми физиками необходимости периодической смены философско-методологических оснований естествознания. (В России анализ революции в естествознании на рубеже ХIХ-ХХ веков был осуществлен В.И. Лениным в работе “Материализм и эмпириокритицизм”, вышедшей в свет в 1909 г.)

К концу ХIХ века механистическая, метафизическая (т.е. предметоцентрическая) методология себя исчерпала. Естествознание стремилось к новой диалектической (т.е. системоцентрической) методологии. Поиски этой новой методологии были не простыми, были сопряжены с борьбой мнений, школ, взглядов, философской и мировоззренческой полемикой. Поэтому и возникла атмосфера разочарования в возможностях познания природы, поползновения в идеализм. В конце концов, в первой четверти ХХ века естествознание все-таки нашло свои новые философско-методологические ориентиры, разрешив кризис рубежа веков.