2.3. Физика в XVI–XIX вв

Основы классической физики были заложены в XVI в. Г. Галилеем, а затем развиты в XVII в. в механике И. Ньютона. Классическая

механика

стала основанием мировоззрения Нового времени, которое в силу этого называют механистическим. В рамках механистической парадигмы материя отождествляется с веществом, а все явления природы объясняются механическим перемещением тел. В качестве идеальных объектов изучения выступают материальные частицы и физические тела как совокупности материальных частиц, а предельно абстрактными физическими образами – образы материальной точки и абсолютно твердого тела как системы материальных точек.

Фундаментальным для классической физики является понятие

силы

– физической меры взаимодействия тел или материальных точек. Взаимодействие тел в макромире объясняется действием гравитационных (сила тяготения) и электромагнитных сил.

Основоположником экспериментального естествознания по праву считается философ эпохи Возрождения Г. Галилей. Итальянский ученый утверждал, что «законы природы написаны на языке математики», именно на этом языке он построил обоснование гелиоцентрической системы Н. Коперника (2.2). Заслугой Г. Галилея является формулировка

принципа относительности,

который стал центральным постулатом классической физики. Согласно этому принципу законы механики, справедливые в одной системе координат, справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой, т. е. во всех инерциальных системах отсчета физические явления происходят одинаково, они инвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Инерциалъной

была названа система отсчета, которая находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного и равномерного движения.

В XVII в. французский философ Р. Декарт построил универсальную физическую картину мира, в основе которой лежала идея природы как совокупности взаимодействующих вещественных частиц. По мнению Р. Декарта, «мир, или протяженная материя, составляющая универсум, не имеет никаких границ», материальные частицы действуют друг на друга путем давления или удара, т. е. механически, а все изменения в универсуме сводятся к простому механическому перемещению вещества. Протяженная материя, по мнению Р. Декарта, существует автономно, т. е. ее законы не зависят от законов духовной субстанции или мышления. Огромной заслугой Р. Декарта стало создание рационалистической методологии научного познания, основы которой он изложил в работе «Рассуждение о методе» (1637).

Эксперименты Г. Галилея и философско-методологиче-ские принципы Р. Декарта стали основой механистического мировоззрения. Опираясь на идеи Г. Галилея и философию Р. Декарта, но полемизируя с физикой и космологией последнего, И. Ньютон построил собственную теорию, которая господствовала в науке на протяжении трех столетий: с XVII по начало XX в. Как писал А. Эйнштейн – великий физик XX в., разрушивший казавшиеся незыблемыми позиции классической механики, – Ньютон был первым, кто попытался сформулировать элементарные законы, объясняющие широкий круг природных процессов с высокой степенью точности и полноты. Работы И. Ньютона оказали глубокое и сильное влияние на все классическое мировоззрение в целом.

Основу методологии И. Ньютона составляют индуктивный метод и установка на экспериментальное определение количественных отношений между явлениями действительности. «Гипотез не измышляю!» – заявлял И. Ньютон, выражая основную идею своей методологии. Систематическое изложение основ классической механики было осуществлено в работе «Математические начала натуральной философии» (1687).

Основу классической механики составляют три закона, названные законами Ньютона.

Первый закон: тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока на него не оказывают воздействие другие тела. Способность тела сопротивляться воздействию на него сил называют инертностью, поэтому первый закон Ньютона иначе называется законом инерции. Первый закон Ньютона устанавливает существование инерциальных систем отсчета. Понятие инерциальной системы отсчета И. Ньютон полностью воспринимает из теоретической концепции Г. Галилея. Второй закон: ускорение, приобретаемое телом в результате воздействия на него, прямо пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе тела. Третий закон: всякое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей эти тела.

Вершиной научного творчества И. Ньютона является

теория тяготения,

которая дает ответ на вопрос о природе силы, заставляющей двигаться небесные тела. Согласно закону всемирного тяготения тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сила тяготения универсальна, проявляется между любыми двумя материальными телами независимо от их конкретных свойств и действует на любом расстоянии. И. Ньютон показал, что законы движения планет, открытые И. Кеплером, неразрывно связаны с действием силы всемирного тяготения и являются математическим выражением этой силы. Таким образом, законы И. Кеплера оказались следствиями закона всемирного тяготения. Создание теории тяготения, которую иначе называют небесной механикой, окончательно утвердило победу гелиоцентрической системы Н. Коперника.

Впервые в истории науки И. Ньютон различил понятия инертной и гравитационной масс. По его мнению, гравитационная масса тел обеспечивает действие между ними сил притяжения, инертная масса выступает мерой инертности, т. е. определяет способность тел сопротивляться воздействию каких-либо сил. Уже в классической науке был установлен факт равенства инертной и гравитационной масс, однако объяснение этому явлению было найдено значительно позже – в теории относительности А. Эйнштейна (3.2).

Ключевыми в физике И. Ньютона являются понятия

абсолютного пространства

и абсолютного времени.

В книге «Математические начала натуральной философии» И. Ньютон писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью^ Течение абсолютного времени измениться не может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же, быстры ли движения... медленны ли, или их совсем нет^ Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения».

Абсолютное пространство совершенно пусто, существует независимо от физических тел, его свойства описываются геометрией Евклида. Движение в абсолютном пространстве осуществляется по законам механики и представляет собой перемещение по непрерывным траекториям. Абсолютное время протекает равномерно и называется длительностью. И. Ньютон ввел понятия относительного пространства и относительного времени. Относительное пространство – это чувственная мера абсолютного пространства, относительное время – чувственная мера абсолютного времени, т. е. это пространство и время, ограниченные сенситивными способностями познающего их человека. Концепция абсолютного пространства и абсолютного времени была названа субстанциальной. Она органично вписалась в механистическую картину мира и соответствовала уровню развития науки в XVII в. Новая реляционная концепция сложилась только после создания неевклидовой геометрии, общей и специальной теорий относительности, т. е. в науке XX в. (3.2).

Механика И. Ньютона послужила мировоззренческой и методологической основой всего классического естествознания, длительное время стимулируя развитие науки и обеспечивая новые технические открытия. Однако следствием абсолютизации законов классической механики стало формирование мировоззренческой системы механистического детерминизма, принципы которой пришли в столкновение с новыми открытиями в физике на рубеже XIX–XX вв. Произошедшая в это время научная революция (1.4) привела к отказу от классической механистической парадигмы и формированию новой постклассической науки.

Второй составляющей классической физики является

термодинамика,

которая описывает тепловые явления в макромире. Теплота рассматривается как род внутреннего движения частиц: чем быстрее движение частиц, тем выше температура тела. Теорию тепла называли корпускулярной (от слова «корпускула» – частица), поскольку в ее основе лежало представление об атомистическом строении вещества. С корпускулярной теорией конкурировала теория теплорода, согласно которой тепловые процессы происходят благодаря невесомой жидкости, которая находится в «порах» материальных тел и может перетекать от одного объекта к другому. Чем больше в теле теплорода, тем выше его температура. Благодаря теории теплорода в физике появились понятия теплоемкости и теплопроводности тел, однако сама эта теория вскоре была опровергнута. В середине XIX в. было доказано, что количество выделяемой телом теплоты не зависит от объема вещества, т. е. из ограниченного количества вещества можно получить неограниченное количество теплоты, следовательно, нагревание тела связано не с увеличением в нем теплорода, а с увеличением энергии. Оказалось, что теплота и есть мера изменения энергии. В конце XIX в. молекулярно-кинетическая теория окончательно утвердилась не только в физике, но и в химии (2.4). Основные положения этой теории гласят: любое вещество состоит из большого числа молекул, молекулы вещества находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, скорость движения молекул зависит от температуры тела, между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.

Классическая термодинамика сформулировала несколько принципов, или начал, которые вели к важным мировоззренческим выводам.

Первое начало термодинамики

основано на представлениях о том, что термодинамическая система обладает внутренней энергией теплового движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия.

При всех превращениях в термодинамической системе выполняется универсальный закон сохранения энергии. Согласно первому началу термодинамики количество теплоты, сообщенное телу, увеличивает его внутреннюю энергию и идет на совершение телом работы. Из этого принципа вытекает невозможность существования вечного двигателя.

Согласно второму началу термодинамики

нельзя осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, энтропия замкнутой системы возрастает, а ее максимальное значение достигается в состоянии теплового равновесия. Термодинамические процессы необратимы, а предоставленная самой себе система стремится к состоянию теплового равновесия, в котором температуры тел выравниваются. В системе, достигшей термодинамического равновесия, без внешнего вмешательства невозможны никакие процессы. Второе начало термодинамики часто формулируют иначе: тепло не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему. Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии.

Распространение второго начала термодинамики на всю Вселенную, понимаемую как закрытая система, привело к созданию

теории тепловой смерти,

согласно которой все процессы в мире ведут к состоянию наибольшего равновесия, т. е. хаосу. Теория тепловой смерти Вселенной была разработана в середине XIX в. В. Томпсоном и Р. Клаузиусом, ее постулаты звучат следующим образом:

•энергия Вселенной постоянна;

• энтропия Вселенной, понимаемой как закрытая система, возрастает.

Смысл этих постулатов заключается в том, что со временем все виды энергии во Вселенной превратятся в тепловую, а последняя перестанет претерпевать качественные изменения и преобразовываться в другие формы. Наступившее состояние теплового равновесия будет означать смерть Вселенной. При этом общее количество энергии в мире останется тем же самым, т. е. универсальный закон сохранения энергии не будет нарушен. С точки зрения авторов теории тепловой смерти, наличие в нашей уже длительное время существующей Вселенной многообразных форм энергии и движения является необъяснимым фактом. Понятно, что выводы теории тепловой смерти Вселенной подводили к предположению о существовании таинственной силы, которая периодически выводит мир из состояния теплового равновесия, т. е. по сути дела к представлению о существовании Бога или других сверхъестественных сущностей, которые вновь и вновь творят Вселенную из хаоса.

Теория тепловой смерти сразу же после создания была подвергнута критике. В частности, появилась флуктуационная теория Л. Больцмана, согласно которой Вселенная выводится из состояния равновесия с помощью внутренне присущих ей флуктуаций. Кроме того, критики говорили, что неправомерно распространять второе начало термодинамики на весь мир, а последний нельзя рассматривать как замкнутую систему с ограниченным числом элементов. Однако наиболее последовательным и полным опровержением теории тепловой смерти Вселенной стала синергети-ческая концепция И. Пригожина и Г. Хакена, созданная в конце XX в. (7.2).

Третьей составляющей классической физики является

оптика.

На протяжении двух столетий в оптике соперничали корпускулярная и волновая теории, объяснявшие природу световых явлений на разных основаниях. В XVII в. дискуссия развернулась между И. Ньютоном, который придерживался корпускулярной теории, и нидерландским ученым Х. Гюйгенсом – сторонником волновой теории. В соответствии с теорией И. Ньютона, свет – поток материальных частиц-корпускул, наделенных неизменными свойствами и взаимодействующих друг с другом по законам классической механики. Корпускулярная теория хорошо объясняла явления аберрации и дисперсии света, но испытывала трудности в объяснении явлений интерференции, дифракции и поляризации света. Согласно теории Х. Гюйгенса, свет представляет собой волну, распространение которой аналогично распространению волн на поверхности воды и подчиняется тем же законам. Особой средой для распространения световых волн Х. Гюйгенс считал эфир. Волновая теория, в отличие от корпускулярной, хорошо объясняла явления интерференции, дифракции и поляризации. Однако на протяжении XVIII в. большинство ученых придерживались корпускулярной теории И. Ньютона, несмотря на эвристическую силу и убедительность волновой теории Х. Гюйгенса. Немалую роль здесь сыграл непререкаемый авторитет, которым пользовался И. Ньютон в среде научного сообщества.

В 1818 г. с критикой корпускулярной теории выступил французский физик О. Френель. Его выводы убедительно говорили в пользу волновой теории. Предложенная О. Френелем волновая теория предполагала существование явления дифракции, которое должно было наблюдаться в виде светлого пятна в центре тени, отбрасываемой круглым экраном. Это рискованное предположение получило блестящее экспериментальное подтверждение, и волновая теория О. Френеля в начале XIX в. была признана научным сообществом. Окончательное подтверждение волновая теория получила после измерения скорости света в разных средах – воде и воздухе. Согласно корпускулярной теории скорость света в воде должна быть больше, чем скорость света в воздухе. Однако эксперимент показал, что скорость света в воде, т. е. в более плотной среде, оказалась меньше, чем скорость света в воздухе – менее плотной среде.

Недостатком волновой теории света было представление о среде – носителе световой волны. В XIX в. выдвигалась гипотеза, согласно которой таким носителем выступает светоносный эфир. Однако эта гипотеза сталкивалась с серьезной проблемой, разрешить которую не удавалось. Если предположить, что концепция светоносного эфира верна, то возникает вопрос, как эфир взаимодействует с веществом; в частности, увлекается ли эфир Землей при ее движении. Если эфир не увлекается движущимися телами, то его можно рассматривать в качестве абсолютной системы отсчета. Если же он взаимодействует с веществом, то это взаимодействие должно наблюдаться в оптических явлениях.

Недостатки волновой теории света привели к тому, что в конце XIX – начале XX в. физики вновь вернулись к корпускулярной теории, в научный обиход было введено представление об особых световых частицах – фотонах. Корпускулярные и волновые представления объединились только в концепции корпускулярно-волнового дуализма, т. е. уже в неклассической физике XX в. (3.3).

Четвертой составляющей классической физики является

электродинамика, или теория электромагнитного поля.

В 80-е гг. XVIII в. французский физик Ш. О. Кулон провел ряд экспериментов по измерению силы, действующей между двумя зарядами. В результате обобщения опытных данных был сформулирован основной закон электростатики: электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Таким образом, оказалось, что электрическая сила действует так же, как и гравитационная.

В 30-е гг. XIX в. английский физик М. Фарадей предложил понятие поля. Это понятие противоречило представлениям о материи как совокупности атомов. По мнению М. Фарадея, активная и постоянно движущаяся материя не может быть представлена в виде атомов и пустоты, материя непрерывна, атомы есть лишь сгустки силовых линий поля. Безусловно, концепция поля в электродинамике могла сформироваться только после утверждения волновой теории в оптике. М. Фарадей высказал также предположение о единстве электрических и магнитных явлений. В 1831 г. он поставил опыт, который продемонстрировал, что переменное магнитное поле индуцирует электрический ток.

На основе экспериментальных данных М. Фарадея в 60-е гг. XIX в. Дж. Максвелл создал единую теорию электромагнитного поля. Основные принципы своей концепции он изложил в работе «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864). Вспомогательному понятию поля Дж. Максвелл придал точный физический смысл: «Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии». Дж. Максвелл высказал предположение, что любое переменное электрическое поле, возникающее между движущимися электрическими зарядами, порождает магнитное, а переменное магнитное поле возбуждает электрическое. Таким образом, источником электрического поля могут быть неподвижные электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля, а источником магнитного поля – движущиеся электрические заряды или переменные электрические поля. Концепция Дж. Максвелла позволила сделать предположение о существовании переменного электромагнитного поля, которое распространяется в пространстве с конечной скоростью. Было установлено, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия равна скорости света в вакууме– 300 000 км/с. Оказалось, что свет– это электромагнитные волны определенной длины (от 380 до 770 нм). Таким образом, теория Дж. Максвелла теоретически обосновала родство электромагнитных и оптических явлений, предположение о котором высказывалось ранее.

Несмотря на успехи и большой эвристический потенциал, электромагнитная теория Дж. Максвелла имела ряд недостатков. Так, в ней использовалась сомнительная гипотеза светоносного эфира. По сути дела, концепция Дж. Максвелла отождествляла понятия эфира и электромагнитного поля. В конце XIX в. физики отказываются от гипотезы эфира и начинают рассматривать электромагнитное поле как особую форму материи, свойства которой невозможно объяснить механическими закономерностями. Преодоление противоречий классической электродинамики началось в 1900 г., когда немецкий физик М. Планк выдвинул собственную концепцию (3.2, 3.3).