Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния
теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно,
поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика
неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века. В ней
состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и
другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как
функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики
описывают состояние системы во времени.
7. Возникновение предпосылок атомной и ядерной физики
Концепции атомной и ядерной физики будут развертываться в ХХ столетии, но
события, давшие им толчок, произошли в конце XIX столетия. На стыке XIX и
ХХ вв. в науке свершились открытия, заставившие заколебаться сложившуюся
картину мира. Представлениям, основанным на классической механике, суждено
было уступить место новой, остающейся до сих пор во многом не завершенной
картине мира. События, положившие начало процессу смены картины мира,
связаны с открытием рентгеновских лучей и радиоактивности (1895-1896 гг.),
открытием электрона (1897 г.), структуры кристалла (1912 г.), нейтрона
(1932 г.), деления ядра атома (1938 г.) и т.д., а также с теоретическими
работами: квантовой теорией М.Планка (1900 г.), специальной теорией
относительности А.Эйнштейна (1905 г.), атомной теорией Резерфорда - Н.Бора
(1913 г.), общей теорией относительности А.Эйнштейна (1916 г.), волновой
механики Л.де Бройля и Э.Шредингера (1923-1926 гг.) и т.д. Поскольку в
основу изложения развития физических концепций был положен и
хронологический принцип, то и научные открытия, происшедшие в конце XIX
столетия (хотя главные события, последующие за ними, будут происходить уже
в ХХ столетии), целесообразно рассмотреть в русле развития физики конца XIX
столетия.
Конец XIX века демонстрировал наличие теории, удовлетворяющей
практическим потребностям. Явления электромагнетизма использовались в
осветительных и силовых устройствах. Термодинамические концепции привели к
созданию двигателя внутреннего сгорания и химических установок,
Электромагнитная теория вызвала к жизни радио. Эти достижения были
практической реализацией утвердившихся научных знаний, от которых трудно
было ожидать чего-то принципиально нового. Так что радикальные сдвиги
следовало ожидать в тех областях физики, которые до сих пор находились в
тени и в которых наблюдались какие-то явления, не укладывавшиеся в
существующие физические концепции. Область физики, занимавшаяся изучением
электрических разрядов, оказалась именно такой. Однако проводившиеся с
электрическими разрядами в вакууме опыты привели к интересным результатам,
а электротехническая промышленность обнаружила потребность в
совершенствовании вакуумной техники. Все это усилило интерес к
исследованиям в этой области физики.
Первым результатом усиления этого интереса было открытие У.Круксом
катодных лучей, которые он назвал лучистой формой материи. Д.Стоней назвал
катодные лучи электронами, Ж.Перрен обнаружил у них отрицательный заряд, а
Д.Томсон измерил их скорость. Следующим шагом было совершено непредвиденное
открытие К.Рентгеном - обнаружение Х-лучей (получивших название
рентгеновских), исходивших из катодно-лучевой разрядной трубки. Это
открытие, помимо практических перспектив, имело важное значение для других
областей физики. Д.Томсон установил, что не только электроны, которые
ударялись о какое-либо вещество, порождали рентгеновские лучи, но и
последние при ударе о вещество порождают электроны. Тот факт, что электроны
могли извлекаться из различных веществ, свидетельствовало о принадлежности
их к электрической материи. Поскольку она состояла из отдельных частиц
(атомов), то это побудило Д.Томсона обратиться к раскрытию внутренней
структуры атома. Существование электрона - заряженной частицы с массой.
которая меньше массы атома и которая появляется из вещества при
определенных условиях, наводила на мысль о том, что эта частица является
структурным элементом атома. А если атом электрически нейтрален, то должен
быть структурный элемент и с положительным зарядом.
Первая модель атома, предложенная В.Томсоном и затем Д.Томсоном, включала
шарообразное облако положительного заряда, внутри которого находятся
электроны, расположенные в этом облаке концентрическими кольцами. Данная
модель просуществовала недолго. Но это был первый шаг в раскрытии структуры
атома. Следующие модели атома появились уже в ХХ веке (модель Э.Резерфорда
и модель Н.Бора).
Открытие рентгеновских лучей было случайным. Открытие
радиоактивности, последовавшее вслед за открытием рентгеновских лучей,
также оказалось случайным. А.Беккерель пытался установить, не излучаются ли
подобные лучи другими телами. Из различных веществ, которыми он располагал,
Беккерель случайно избрал соли урана. лучи, исходящие из урана, были
радиоактивными, причем получались без каких-либо устройств - они
испускались самим радиоактивным веществом. Пьер и Мария Кюри выделили еще
более сильные радиоактивные элементы - полоний и радий. Э.Резерфорд, изучая
характер радиоактивного излучения, открывает альфа-лучи и бета-лучи и
объясняет их природу. М.Планк установил. что атомы отдают энергию не
непрерывно, а порциями, т.е. существование предельного количества действия,
контролировавшего количественно все энергетические обмены в атомных
системах (постоянная Планка - h, равная 6,6(10-27 эрг/сек. К.Лоренц создает
электронную теорию, синтезировавшую идеи теории поля атомной теории. И хотя
первоначально он не употребляет термина "электрон", а говорит о
положительно и отрицательно заряженных частицах вещества. открытие
радиоактивности и превращения атомов поколебало физические и химические
представления XIX века. Это касалось закона неизменных элементов,
установленного Лавуазье. Самопроизвольный радиоактивный распад в условиях
отсутствия опытных данных о синтезе новых атомов мог истолковываться как
односторонний процесс постепенного разрушения вещества во Вселенной.
Открытие первой субатомной частицы - электрона - выглядело аргументом в
пользу отвергнутых представлений об электрической субстанции. Казалось, что
был поставлен под сомнение и закон сохранения энергии. Возникшая ситуация
свидетельствовала о том, что новые экспериментальные факты не укладываются
в существовавшую физическую парадигму. Таким образом, обозначились истоки
революционных преобразований в физических концепциях. Первый этап этих
преобразований начался в конце XIX века. Последующие этапы развертывались
уже в XX веке.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ФИЗИКИ ХХ ВЕКА
1. Революция в физике
Физика XIX века представляла собой основанную на механике Ньютона систему
знаний, которая создателям этой системы представлялась почти завершенной.
Революция в физике уже в самом начале ХХ века выявила ограниченность
классической механики, чем поставила под сомнение истинность подобных
представлений. Классическая физика, исходя из заложенного Декартом идеала,
представляла Вселенную в виде механической системы, поведение которой можно
абсолютно точно предсказать, если известны параметры, которые определяют
начальное состояние этой системы. Иными словами, основные утверждения
классической механики имеют вполне определенный и однозначный характер.
Разного рода неопределенности и неоднозначности, могущие иметь место при
измерении величин, объясняются в ее рамках неизбежными погрешностями,
сложностью процедуры измерения и т.п.
Подобная картина основывалась на предположениях, которые считались
совершенно очевидными. Первое заключалось в том, что мы живем в жестком и
определенном мире, в котором любое явление может быть строго локализовано,
и что все развитие физического мира есть изменение положения тел в
пространстве с течением времени. Второе исходило из возможности сделать
пренебрежимо малым возмущение естественного хода изучаемого процесса,
вносимое процедурой осуществления эксперимента. Как оказалось, оба
предложения могут быть справедливыми лишь для определенных условий.
Открытие кванта действия выявило противоречие между концепцией строгой
локализации и концепцией динамического развития. Каждая из этих концепций,
взятая в отдельности от другой, может быть успешно использована для
изучаемых явлений, но, будучи одновременно использованными, они не дают
точных результатов. Обе они - своего рода идеализация: первая -
статистическая, исключающая всякое движение и развитие, вторая -
динамическая, исключающая понятие точного положения в пространстве и
момента времени. В классической механике перемещения в пространстве и
определение скорости изучаются вне зависимости от того, каким образом
физически эти перемещения реализуются. От абстрактного изучения законов
движения можно переходить к динамике. Применительно к явлениям микромира
подобная ситуация, как выявилось, невозможна принципиально. Здесь
пространственно-временная локализация, лежащая в основе кинематики,
возможна лишь для некоторых частных случаев, которые зависят от конкретных
динамических условий движения. В макромасштабах использование кинематики
вполне допустимо. Для микромасштабов, где главная роль принадлежит квантам,
кинематика, изучающая движение вне зависимости от динамических условий,
теряет смысл.
Для масштабов микромира и второе положение оказывается несостоятельным -
оно справедливо лишь для явлений большого масштаба. Выявилось, что попытки
измерить какую-либо величину, характеризующую изучаемую систему, влечет за
собой неконтролируемое изменение других величин, характеризующих данную
систему: если предпринимается попытка установить положение в пространстве и
времени, то это приводит к неконтролируемому изменению соответствующей
сопряженной величины, которая определяет динамическое состояние системы.
Так, невозможно точно измерить в одно и то же время две взаимно сопряженные
величины. Чем точнее определяется значение одной величины, характеризующей
систему, тем более неопределенным оказывается значение сопряженной ей
величины. Это обстоятельство повлекло за собой существенное изменение
взглядов на понимание детерминизма, уровней организации реальности.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27
