Естествознание ιι половины χιχ века: на пути к научной революции

1.Развитие физики

Этот период характеризуется высокими темпами развития сложившихся и возникших разделов физики. Особенно развиваются теория теплоты и электродинамика (совершенствуется термодинамика, развивается кинематика, статическая физика, создается теория электромагнитного поля).

При этом усиливаются противоречия между старыми установками и новым содержанием науки. Все законы требуют новой методологии, но теория электромагнитного поля и кинетическая теория теплоты развиваются на основе механистических представлений.

Развитие физики связано с материальным производством, промышленностью, индустрией, т.е. результаты исследований становятся условием технического прогресса. Только на основе результатов научных исследований в области электричества и магнетизма могла возникнуть электротехника.

Принцип термодинамики

Время однонаправлено и необратимо. Но небольшое количество механических систем относится к обратимым (но не тепловые). Классическая механика занималась лишь моделированием обратимых систем, но с возникновением термодинамики, с изучением теории теплоты и молекулярных процессов физика перешла к познанию закономерностей необратимых систем.

В ΧΙΧ веке термодинамика развивается как теоретическая база теплотехники и как важная отрасль теоретической физики, объясняющая сущность тепловой энергии.

Сади Карно показал, что теплота создает механическую работу только при тепловой «перепаде», т.е. при наличии разности температур нагревателя (Т₁) и холодильника (Т₂). Обратное: затрачивая механическую энергию, можно создать разность температур, которая определяет коэффициент полезного действия. Максимально возможный КПД определяется только температурами нагревателя и холодильника. Т.о., Карно обосновывает невозможность существования вечного двигателя. (1 закон термодинамики – термодинамическая система может совершать работу лишь за счет внутренней энергии или энергии от внешних источников). 1 закон вытекает из закона сохранения энергии: в замкнутой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.

Клаузиус решил связать переход теплоты от одного тела к другому с превращением теплоты в работу и установить количественные соотношения между этими процессами. В тепловых двигателях процесс превращения теплоты в работу сопровождается передачей определенного количества теплоты внешней среде, в результате чего нагреватель охлаждается, а внешняя среда нагревается. Т.е термодинамические процессы могут протекать лишь в одном направлении. 2 закон термодинамики невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодного тела к нагретым, в замкнутой системе энтропия (мера способности теплоты к превращению) не может убывать, а лишь возрастает до максимума. В обратимых системах энтропия неизменна, а в необратимых постоянно меняется.

В начале ΧΧ века Нернст сформулировал 3 закон: при стремлении температуры (Т) к абсолютному нулю энтропия (Е) любой системы стремится к конечному пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы. Т.е. ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии, достижение абсолютного нуля невозможно – к нему можно лишь бесконечно приближаться.

Больцман показал, что идеальный газ, находящийся первоначально в нестационарном состоянии, с течением времени сам собой должен переходить в состояние статического равновесия. Из чего он сделал вывод о необратимости молекулярных процессов.

Смолуховский разрабатывает теорию флуктуаций (случайные колебания в открытой системе) и приходит к идее относительности обратимости и необратимости, их зависимости от времени, в течение которого наблюдается процесс.

Новый этап в развитии исследований необратимых систем наступил в конце ΧΧ века, с созданием теории самоорганизации.

Во второй половине ΧΙΧ анализируются понятия пространства и времени. Было введено понятие α-тело – такого тела во Вселенной, которое можно считать неподвижным и принять за начало абсолютной системы отсчета. Некоторые предлагали принять за α-тело центр тяжести всех тел во Вселенной, т.к. его можно считать находящимся в абсолютном покое. Другие, считая, что понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения как движение относительно абсолютного пространства лишено научного содержания, предлагали понятие инерциальной системы отсчета (координат). Т.о., все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием каких-либо других тел, равноправны (инерциальные системы движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга).

В конце ΧΙΧ века против ньютоновского представления об абсолютном пространстве выступил физик и философ Мах. С его точки зрения, всякое движение относительно пространства не имеет никакого смысла, о движении можно говорить лишь по отношению к телам и, следовательно, все величины, определяющие состояние движения, могут быть лишь относительными. Рациональное зерно его принципа состояло в том, что свойства пространства-времени обусловлены гравитирующей материей.

В 1870-х гг. математик Клиффорд предложил полевую теорию материи, где материальные частицы представляют собой сильно искривленные области пространства, а «изменение кривизны пространства и есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движением материи».

Теория электромагнитного поля

К середине ΧΙΧ века был накоплен эмпирический материал, касающийся электрических и магнитных явлений (закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др.), но сложнее было с теоретическими представлениями.

Наиболее популярной стала теория Вебера, которая пыталась объединить электростатику, электродинамику и теорию магнетизма идей об активности движущихся электрических зарядов. Максвелл, основываясь на представлениях Фарадея (полевая концепция) пытался построить строгую математическую теорию, получить уравнения, из которых можно вывести законы Кулона, Ампера и т.д. В результате он создал теорию электромагнитного поля, сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики.

Эта теория изменила представления о картине электрических и магнитных явлений.

Положения теории:

• электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его

• изменение электрического поля ведет к появлению магнитного и наоборот

• векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны (почему электромагнитная волна поперечна)

• распространение в электромагнитном поле электромагнитных волн происходит с конечной скоростью (принцип близкодействия обоснован)

• скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света

Великие открытия

В 1895 г. Рентген обнаружил луч и выяснил необычные свойства этих лучей (проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы..), но их природа была не ясна. Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей. Томсон с Резерфордом установили, что под действием рентгеновских лучей возрастает электрическая проводимость газа, причем это свойство сохраняется какое-то время после облучения. Получили данные, что проводниками являются заряженные частицы - электроны (установил их заряд и массу).

В конце ХIХ века Беккерелем была открыта радиоактивность. Резерфорд установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов: α- и β-частицы (тяжелые α – частицы это быстро движущиеся ядра гелия, β-частицы – летящие с большой скоростью электроны).

Складовская–Кюри обнаружила в урановых рудах вещества, способные к излучению, совместно с П.Кюри выделила из урановых руд новый элемент – радий (радиоактивность выше). Вскоре после открытия Беккереля, стало ясно, что излучение неоднородно и содержит 3 компонента:α-, β-,γ-лучи, причем, α-и β-лучи представляют собой электромагнитное излучение.

Во II половине ХIХ также Герцем были обнаружены электромагнитные волны, Столетовым открыт фотоэффект, выяснено, что отношение заряда электрона к его массе не является постоянной величиной, а зависит от скорости электрона.

Возникла идея, что электрон имеет только электромагнитную массу и обычной массы не имеет. Развитие этой гипотезы привело к выводу, что всякая масса (а значит и материя) имеет электромагнитную природу. Это изменило взгляды на природу и познание материи.