невидимым. Электромагнитные поля представлялись в виде натяжений в эфире.
Заряженные частицы порождали в эфире волны натяжений. скорость
распространения которых, как и показали расчеты, оказалась около 300000
км/с. Свет стал рассматриваться в виде электромагнитных волн, которые
вызывались движениями заряженных частиц и которые распространялись в
пространстве как колебания эфира. С открытием электромагнитных волн
(радиоволны, сверхвысокочастотные. тепловые (инфракрасные),
ультрафиолетовые, рентгеновские волны. гамма-излучения) появилась
возможность проверки ньютоновской теории пространства и времени.
Если Фарадей осуществил новый подход к изучению электрических и магнитных
явлений, создав концепцию поля. которое описвывалось с помощью силовых
линий, то Максвелл. введя точное понятие электромагнитного поля.
сформулировал его законы.
Из концепции Френеля о поперечных световых волн неизбежно вытекали
вопросы о том, в какой же среде распространяются волны, почему нет
продольных световых волн, как действует эфир на движущиеся в нем тела и
т.д. Было высказано множество самых разнообразных гипотез относительно
поперечности световых волн (например, гипотеза абсолютно несжимаемого
эфира, гипотеза неподвижного эфира, гипотеза эфира, частично увлекаемого за
собой движущимися в нем телами и т.д.). Т.е. существование самого эфира
сомнению не подвергалось, ибо распространение волн требовало
соответствующей среды.
Максвелл создает электромагнитную теорию света, установив уравнения,
объяснявшие все известные к тому времени факты с единой точки зрения. В них
устанавливалась связь между изменениями магнитного поля и возникновением
электродвижущей силы. Свою главную задачу Максвелл усматривал в том, чтобы
привести электрические явления к области динамики. Он исходил из того, что
электрический ток нельзя рассматривать иначе как действия не расположения.
а распространения протекающие во времени. Причина электрических токов была
им названа электродвижущей силой.
Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла задается
напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Исследовав связи
между электрическими и магнитными полями. Максвелл из того, что
изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, которое само
создает электрическое поле, и количественного анализа этих соотношений
пришел к выводу о распространении данного процесса в пространстве. Иными
словами, переменное электрическое поле в одной точке создает магнитное поле
по соседству с ней, которое в свою очередь вызывает электрическое поле чуть
дальше. Поскольку этот процесс происходит снова и снова, возникает
колеблющееся электромагнитное поле, непрерывно расширяющееся в
пространстве. При этом электрическое или магнитное поле распространяется
независимо от способов их возникновения (будь то колебания зарядов или
появление магнитов). Вычисления скорости распространения поля, выполненные
по данным о наблюдаемом токе, индуцированным движущимися магнитами, или по
данным о создаваемом токами магнитном поле, выявили. что она равна скорости
света. И хотя Максвелл в своих вычислениях использовал измерения
электрических токов и магнитных полей, т.е. явлений, казалось бы, не
имеющих со светом ничего общего. Он из этих измерений сделал вывод о том,
что колеблющееся электрическое поле распространяется в виде волн со
скоростью света. Этим была установлена связь между оптикой и электричеством
- областями, которые ранее представлялись не связанными друг с другом.
Оптика стала разделом электродинамики.
Таким образом, свет оказался не чем иным, как распространением
электромагнитных волн. Экспериментальное их обнаружение Г.Герцем в 1880 г.
означало победу электромагнитной концепции, хотя она в сознании ученых
утвердилась не сразу (концепции Ньютона понадобилось для своего утверждения
половина века, концепции Максвелла понадобилась для этого четверть века).
Герц установил, что электромагнитные волны имеют свойство, аналогичные
световым: преломление, отражение, интерференцию, дифракцию, поляризацию, ту
же скорость распространения. ( Оценивая результаты своих экспериментов,
Герц прекрасно понимал, что они рушат всякую теорию, считающую, что
электрические силы распространяются в пространстве мгновенно.)
Концепция Максвелла явилась новым шагом в понимании природы электрических
и магнитных явлений, обусловившим возможность появления радио,
радиолакации, телевидения и т.д. Она дала ответ на вопрос о природе
световых волн: световая волна есть волна электромагнитного поля,
распространяющаяся в пространстве. Открытие Максвелла принято сравнивать по
степени важности с открытием Ньютоном закона всемирного тяготения. Если
Ньютон ввел понятие всеобщего поля тяготения, то Максвелл ввел понятие
электромагнитного поля и установил законы его распространения.
Развитием концепции Максвелла было измерение П.Н. Лебедевым давления
света, предсказанного Максвеллом, а также использование электромагнитных
волн для беспроволочной связи А.С.Поповым и Г.Маркони.
5. Молекулярно-кинетическая концепция тепловых процессов
Как отмечалось ранее, глубокое изучение тепловых процессов предполагает
учет молекулярного строения вещества. Решение такой задачи оказалось
сопряженным с использованием статистических методов. Включение тепловых
процессов в рамки механической картины мира привело к открытию
статистических законов, в которых связи между физическими величинами носят
вероятностный характер. В классической статистической механике, в отличие
от динамической, задаются не координаты и импульсы частиц системы, а
функция распределения частиц по координатам и импульсам, имеющая смысл
плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и
импульсов.
Господство концепции теплорода и отсутствие необходимых экспериментальных
фактов в первой половине XIX века задержали развитие молекулярно-
кинетической теории вещества. Открытие закона сохранения энергии
продемонстрировало связь теплоты с движением невидимых частиц вещества, дав
толчок исследованиям, начатым Р.Бойлем, М.В.Ломоносовым, Д.Бернулли и др.
М.В.Ломоносов впервые высказал идею о тепловом вращательном движении
атомов. К этой идеи пришел и Г.Дэви. Д.Дальтон установил, что атомы одного
и того же химического элемента обладают идентичными свойствами и, введя
понятие атомного веса химического элемента, дал ему определение как
отношения массы одного атома этого элемента к массе одного атома водорода.
А.Авогадро установил. что идеальные газы (газы с пренебрежительно малыми
силами взаимодействия между его частицами) при одинаковых температуре и
давлении содержат в единице объема одинаковые количества молекул.
К середине XIX века эквивалентность теплоты и энергии признало
большинство ученых, теплоту стали рассматривать как молекулярное движение.
Опыты Ж.Л.Гей-Люссака и Д.Джоуля подтвердили независимость внутренней
энергии идеальных газов от их объемов, что было свидетельством ничтожности
действующих между их молекулами сил. Р.Клаузиус к поступательному движению
молекул добавляет вращательное и внутримолекулярное колебательное движение
и дает объяснение закону Авогадро как следствию того. что молекулы любых
газов обладают одинаковой "живой силой" поступательного движения. Для
данного этапа развития молекулярно-кинетической теории газов важным было
вычисление средних значений различных физических величин, таких как
скорость движения молекул, число их столкновений в секунду, длина
свободного пробега и т.д., определение зависимости давления газа от числа
молекул в единице объема и средней кинетической энергии поступательного
движения молекул - все это дало возможность выявить физический смысл
температуры как меры средней кинетической энергии молекул.
Следующий этап в развитии молекулярно-кинетической теории газов начался с
работ Д.Максвелла. Благодаря введению понятия вероятности был установлен
закон распределения молекул по скоростям (всякая система, вначале
содержащая быстрые (горячие) и медленные (холодные) молекулы, должна прийти
в такое состояние, при котором большинство молекул движется со средними
скоростями, становясь чуть теплыми), что и привело к созданию
статистической механики. В работах Л.Больцмана, построившего кинетическую
теорию газов, было дано статистическое обоснование второго начала
термодинамики - необратимость процессов была связана со стремлением систем
к наиболее вероятному состоянию. Выявление статистического смысла второго
начала термодинамики имело важное значение - оказалось , что второе начало
термодинамики в отличие от первого имеет границы своей применимости: оно не
применимо к движению отдельной молекулы. Необратимость движения
обнаруживается в поведении лишь огромного числа молекул.
Классическая статистическая механика завершается работами Д.Гиббса,
создавшего метод расчета функций распределения не только для газа, но
вообще для любых систем в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее
же признание статистической механики наступит уже в XX веке, когда, на
основе молекулярно-кинетической теории будет построена количественная
теория броуновского движения (на основе исследования последнего Ж.Перрен
доказал реальность существования молекул).
Таким образом, молекулярно-кинетическая концепция газа является
совокупностью огромного числа молекул, движущихся во всех направлениях,
соударяющихся друг с другом и после каждого столкновения изменяющих
направление своего движения. В таком газе существует средняя скорость
движения молекул, а поэтому должна существовать и средняя кинетическая
энергия молекулы. Если это так, то теплота есть кинетическая энергия
молекулярного движения и любой определенной температуре соответствует
определенная кинетическая энергия молекулы. Молекулярно-кинетическая теория
вещества и качественно и количественно объясняет законы газов и других
веществ, установленные экспериментально. Броуновское движение, обнаруженное
Р.Броуном, продемонстрировало движение частиц в жидкостях. Наблюдая через
микроскопы за движением органических и неорганических веществ в воде, Броун
установил, что их движение вызывается потоками в жидкости и не ее
постоянным испарением, а принадлежит самим частицам. Это наблюдение
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
