Реферат: Становление физической картины мира от Галилея до Эйнштейна

В 1643 году Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной другим концом в сосуд с ртутью, устанавливается на высоте 46 см; он дал правильное толкование этого явления: давление воздуха уравновешивается весом столбика ртуть. В результате этого открытия наука получила прибор для измерения давления.

Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объёма газа в замкнутом сосуде давление соответственно возрастает, при увеличении – уменьшается. Это означало, что произведение давления газа на его объём есть величина постоянная (для данной массы газа при постоянно температуре).

В 1787 году Ж. Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется на ¹ / ₂₇₃ первоначального, т.е. изменяется по линейному закону.

Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил опытным путём, что объём данной массы газа меняется линейно с изменением температуры (при постоянном давление).

В ходе этих эмпирических исследований перед учёными вырисовывалась целая область своеобразных явлений, в которых центральную роль играли свойства и отношения, выражаемые понятия «давление», «температура», «объём». Чтобы перейти от суммы частных эмпирических законов к общей теории поведения газа, необходимо было либо найти возможность ввести теоретические представления механики с их центральными понятиями движущихся материальных точек, либо найти другие, специфичные для данных фундаментальные образы. Последние означало, что для теоретического объяснения свойств газов необходима физическая картина мира, отличающаяся от механической.

Исследования на теоретическом уровне создали предпосылки для объединения найденных ранее разрозненных эмпирических законов поведение газов. Опираясь на идеи и метод С. Карно, Б. Клайперон, в 1834 году объединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля: произведение объёма газа на давление пропорционально абсолютной температуре . Найденные ранее эмпирические законы можно было вывести из объединенного закона как его частные случаи и, кроме того, он отражал тот существенный для практики случай, когда одновременно применяются все три параметра – давление, объём и температура. Это был важный, но пока ещё формальный шаг, так как Б. Клайперон не имел адекватных представлений о природе теплоты, придерживался теории теплорода и не пользовался ни какими представлениями о природе газа, с помощью которого можно было бы объяснить законы его поведения.

Следующий шаг – превращение термодинамики в относительно завершённую физическую теорию - во многом связан с именем В.Томсона и Р. Клаузиуса. В серии работ 50-х годов они чётко сформулировали два фундаментальных принципа термодинамики, уточним и развили систему основных её понятий. В связи со вторым принципом термодинамики было введено понятие энтропии[3] , важнейшей наряду с энергией характеристикой термодинамической процессов.

Принципы термодинамики понимались её творцами как неограниченно всеобщие, пригодные для понимания всех процессов в мире. Однако отождествление термодинамической картины с общей физической картиной мира рождало парадоксальный вывод о так называемой тепловой смерти Вселенной. Парадокс состоял в том, что из второго принципа термодинамики, который подтверждался всеми исследованиями термодинамических процессов, с неизбежностью, казалось бы, следовал вывод, что с течением времени разность температур между телами во Вселенной должна исчезнуть и тогда наступит состояние теплового равновесия, равносильное смерти, так как динамические процессы, порождающие и поддерживающие сложноорганизованные системы, основаны на разности температур, возможности производить работу.

Представление так называемой аксиоматической (то есть формально построенной на основе двух основных постулатов) термодинамики не могут претендовать на роль первичных базисных даже в своей области, а тем более в теоретическом осмысление всех процессов Вселенной.

Основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты принадлежат Клаузиусу. Это общий метод построения объясняющих теоретических моделей для газов, жидкостей твёрдых тел, на изображении в виде системы большого числа движущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествленных с атомами и молекулами. Он вводил более сложные представления о формах движения молекул: кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебание относительно положение равновесия в твёрдом теле, каждая молекула обладает и внутренними движениями. В газе все направления движения равновероятны, однако Клаузиус, как отмечал позже Дж. К. Максвелл, «не определить, равны ли скорости всех молекул одного и того же газа или, если они не равны, то имеет ли какой-нибудь закон их распределения». Как и Крёнинг, Клаузиус в своих расчётах условно приписывал всем молекулам одинаковое значение скорости, соответствующее среднему статистическому.

Вопросы о характере движения молекул, а вместе с тем о специфике детерминизма в области молекулярного движения были глубоко разработаны Дж. К. Максвеллом. «…распределяя молекулы по группам согласно их скорости, мы можем заменить невыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулы регистрацией увеличения или уменьшения числа молекул в различных группах. Следуя этому методу, - единственно возможному с точки зрения экспериментальной, так и математической мы переходим от строго динамических методов к методам статистики и теории вероятности». При этом Дж. К. Масксвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно меняться при каждом её столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать «судьбу» каждой отдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно.

Только переход к более последовательной системно согласованной трактовке статистического характера законов движения молекул газа позволили получить результаты, согласующиеся со всеми экспериментами.

На основе статистической трактовки природы второго закона термодинамики Л. Больцман разработал последовательное разрешение парадокса «тепловой смерти» Вселенной. Современной точки зрения оно уже не является достаточно полным и достаточно убедительный, но в то время это было первым логическим согласованным «в рамках имевшихся теоретических представлений» ответом на вопрос, почему «тепловая смерть» ещё не наступила. По Л. Больцману, «тепловая смерть» наступила много раз и много раз Вселенная в большей или меньшей степени отклонилась от равновесного состояния полного молекулярного беспорядка к состояниям неравновесным и более упорядоченным, то есть к состояниям с меньшей энтропией, с температурными различиями. Это возможно потому, что в процессах, подчинённых статистическим законам, всё время возникаю флуктуации - случайные отклонения от наиболее вероятного состояния .

Молекулярно – кинетическая концепция, в отличие от классической механики, имела принципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структуру вещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях, твёрдых телах.

- Теория электромагнитного поля и кризис механической картины мира.

Дж. К. Максвелл не только внёс вклад в развитие молекулярно – кинетической концепции, базировавшейся на представлениях механической картины мира, но и создал теорию электромагнитного поля, вызвавшую кризис и крушение этой картины.

Механическая картина мира опиралась на представления, что силы действуют по направлению прямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки), то есть являются центральными силами. Другими словами в картине мира классической механики все взаимодействия сводились к притяжению или отталкиванию частиц, это было, пожалуй, главным основанием для того, чтобы в рамках ньютоновской системы абстрагироваться от роли промежуточной среды в передачи взаимодействия.

С открытием Х. К. Эрстеда возникла принципиально новая ситуация противоречившая представлениям механической картины мира: на определённом расстоянии от проводника с током на магнитную стрелку действовала сила, которая не притягивала и не отталкивала, а лишь стремилась вращать стрелку вокруг проводника, то есть действовала в «бок». В след за развитием Эрстеда А. Ампер доказал на опыте, что круговой электрический ток создаёт магнитное поле, направленное по оси круга. Тем самым была выявлена не только удивительная симметрия электрического и магнитного явления (прямолинейный проводник с током создаёт магнитное поле, направленное по кругу вокруг проводника; круговой ток создаёт магнитное поле, направленное по оси круга), но и их глубокое внутреннее единство, взаимопорождение.

В то же время радикальное противоречие с важнейшим принципом классической физической картиной мира – принципом центральных сил – вынуждало признавать активную роль среды, окружающей проводники или магниты, в том числе и физического «вакуума». Таким образом, становилось необходимым существенно изменить представление в физической картине мира, включив в неё принципиальную роль промежуточной среды.

Эрстед по существу установил решающий факт, существенно повлиявший затем на переход от механической картины мира к новой, электромагнитной.

В 1831 году М. Фарадей установил, что в момент изменения величины тока в одном контуре в расположенном рядом контуре на короткое время возникает электрический ток. В момент движения магнита около катушки в ней тоже на короткое время возникает электрический ток. Принципиально новым было здесь не только то, что процесс каким – то образом передавался через физический вакуум, которому приходилось теперь приписывать свойства особой среды. Новым по сравнению с картиной мира классической физики было и то, что представления о постоянном воздействии одного тела на другое (как это было в случае тяготения или взаимодействия электрически заряженных тел) замещались представлениями импульсов или волн в момент изменения состояния одного из тел.

Электромагнитная концепция, которой захотели теперь заменить прежнюю, заключалась, прежде всего, в полнейшем отказе от всех образных представлений, от тех «механических моделей» без которых когда-то не существовало настоящей физики.

- Эйнштейн и рождение релятивистской физической картины мира.

Там, где многие физики, пользовавшиеся теоретическими представлениями об электронах, взаимодействующих с электромагнитным полем, не видели проблемы. А. Эйнштейн видел принципиальную методологическую трудность.

Теория Максвелла была логически и методологически неполна по меньшей мере в двух аспектах:

- во-первых, она не совмещалась с фундаментальным принципом классической физики – принципом относительности, её уравнения не были инвариантными[4] относительно преобразований Галилея;

- во – вторых, как выяснилось, полевая картина мира (или, как её обычно называют, электромагнитная картина мира) оказалось недостаточным в качестве концептуальной основы нового этапа развития физики, ибо не позволяла с единой точки зрения объединить все рассматриваемые в теории процессы.

Таким образом, вопреки широко распространённой точки зрения есть основания утверждать, что надежда построить соответствующий раздел физики на основе электромагнитной картины мира не была осуществлена, хотя представления о такой картине мира активно обсуждались.

Революция в физике, вызванная теорией Максвелла, всё же привела к рождению новой релятивистской картины мира. Важная роль в её создании и последовательном развитии принадлежит А. Эйнштейну. Необходимость её создания диктовалось требованием обеспечить логическую согласованность теоретической системы, а также неодолимой силой опытных фактов. Недостающая внутренняя и внешняя согласованность теоретических представлений электродинамики в острой форме появилась с возникновением не устраненных физических парадоксов. Сегодня можно с уверенностью сказать, что их обнаружение явилось признаком кризиса физической картины мира и вместе с тем начавшейся революцией в физике.