3. Корпускулярная и континуальная концепция описания природы

Что же такое физическое поле? Можно ли его представить наглядно с помощью простых доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство). Эта среда может иметь в разных точках, различную температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т.д.

Математически поле определяется тем, что в каждой точке пространства, где оно имеется, задается некоторая пространственная функция: скалярная, векторная тензорная или другая, которая в общем случае может изменяться со временем.

Сплошная среда может занимать значительные области пространства, свойства ее изменяются непрерывно, в сплошной среде нет резких границ. Этим поле и сплошная среда принципиально отличаются от физического тела с определенными границами. Идеальные образы очень маленьких тел (например, атомов или молекул) – материальные точки – не имеют размеров и границ, и они представляются на фоне другой среды – пустого пространства (вакуума), заполненного какой-нибудь материальной средой.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и сплошное пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает зернистость, конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения, тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого состояния.

В математике этим философским категориям соответствует дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел.

В рамках классической физики дискретные и непрерывные свойства мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля главным образом для описания электромагнитных явлений позволило понять их диалектическое единство. В современной физике это единство противоположностей, дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

4. Развитие представлений о свете

Теория Максвелла и ее экспериментальное подтверждение приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле.

Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитными полями. Солнце, Космос, окружающие нас приборы, антенны радиостанций и телевизионных передатчиков испускают электромагнитные волны, которые, в принципе могут иметь любую частоту – от нуля до бесконечно большой. Классификация электромагнитных волн по частотам называется спектром электромагнитных волн.

Электромагнитные волны в зависимости от частоты носят разные названия: радиоволны; инфракрасное излучение; видимый свет; рентгеновские лучи; гамма-излучение. Световые волны занимают лишь небольшой интервал электромагнитного спектра:

Электромагнитный спектр, f,Гц.

10^4

10^5

10^6

10^7

10^8

10^9

10^10

10^11

10^12

10^13

10^14

10^15

10^16

10^17

10^18

10^19

Радиоволны

Широко- веща- тельный диапазон

Коротко- волновый диапазон

Диапазон видео- частот

Микро- волновый диапазон

Инфра- красный диапазон

Види- мый свет

Ультра- фиолетовый диапазон

Рент- генов- ское излу- чение

-излу- чение

Согласно современным представлениям, электромагнитная(волновая) природа света – это лишь одна разновидность проявления света. Другая разновидность характеризуется егоквантовойприродой. Такое двойственное представление природы света сложилось в результате длительного развития теории света. В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось бы взаимоисключающие, теории света:

• И. Ньютон предложил теорию, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям;

• Х. Гюйгенс (1629–1695) выдвинул волновую теорию, согласно которой свет рассматривается как упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире.

В течение ста с лишним лет корпускулярнаятеория имела гораздо больше приверженцев, чемконтинуальная– волновая, однако в начале XIX в. французскому физику О. Френелю (1788–1827) удалось на основе волновых представлений объяснить все известные в то время оптические явления. В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие. Приверженцы волновой теории считали, что свет – это поперечная волна, распространяющаяся в гипотетической упругой среде, заполняющей все пространство – мировом эфире. После создания Максвеллом электромагнитной теории на смену упругим электромагнитным волнам пришли электромагнитные волны.

Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явленияхинтерференцииидифракции.

Интерференциясвета заключается в том, что при взаимном наложении двух волн происходит усиление или ослабление колебаний. Интерференция света была объяснена в 1801 г. английским ученым Т. Юнгом (1773–1829), который провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередующихся темных и светлых колец. Необходимым условием наблюдения интерференции волн является их когерентность (согласованность протекания волновых процессов). Явление интерференции широко используется в приборах – интерферометрах, с помощью которых осуществляются различные точные измерения и производится контроль чистоты обработки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля.

Дифракция света заключается в отклонении света от прямолинейного распространения, в огибании световыми волнами препятствий. На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей.

Волновую природу света подтверждает и явление дисперсиисвета, наблюдаемое при прохождении через стеклянную призму узкого параллельного пучка естественного света. Исходный пучок при этом распадается на пучки разного цвета. Наблюдаемую радужную полоску называютсплошным спектром. Разложение естественного света в спектр объясняется тем, что свет состоит из электромагнитных волн с различной длиной волны. Так как показатель преломления зависит от длины волны, то слагающие естественный свет компоненты отклоняются на различные углы: наибольшее значение показателя преломления имеет свет с самой короткой длиной волны – фиолетовый, наименьшее – самый длинноволновый – красный. Зависимость показателя преломления от длины волны определяет зависимость скорости света в среде от длины волны, т.е. его дисперсию.

Изучение явлений интерференции, дифракции, дисперсии привели к утверждению волновой теории света.

В конце XIX – начале XX вв. ряд новых опытных фактов заставил вновь вернуться к представлениям об особых световых частицах, названных фотонами. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам. В одних явлениях свет ведет себя как волна, в других – как поток частиц (фотонов).

Корпускулярные свойства света. В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явлениефотоэлектрического эффекта, заключающееся в испускании электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Количественные закономерности фотоэффекта были установлены в 1888–1889 гг. русским физиком А.Г. Столетовым (1839–1896).

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе волновых представлений не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существование красной границы фотоэффекта (отсутствие фотоэффекта, если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты), пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света.

Теория электромагнитного излучения не могла объяснить также процессы поглощения и испускания света, комптоновское рассеяние и т.д. Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком (1858–1947), согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых Е определяется частотой:

Е = h ,

где h –постоянная Планка.

На основе квантовых представлений в 1905 г. выдающимся физиком-теоретиком А. Эйнштейном (1879–1955) было дано объяснение основных законов фотоэффекта.

Таким образом, все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывают, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового; единство дискретности и непрерывности (корпускулярности и континуальности).