Электродинамическая картина мира

1. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

Лекция 3

2. Электродинамическая картина мира

• Эволюция представлений о природе электрических
явлений – пример того, каким сложным и противоречивым путём постигается научная истина и строится картина мира
• Однако, при всём качественном отличии электродинамических и термодинамических явлений, они
взаимосвязаны, и при рассмотрении эволюции картины мира следует начать с термодинамики
• Многие философы древности рассматривали огонь
и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землёй, водой и воздухом образует
все тела
2

3.

• Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к XVII в., когда был построен термометр
и появилась возможность количественного исследования
тепловых процессов и свойств термодинамических макросистем
• Наметилось две тенденции в определении теплоты – вещественная теория тепла – особого рода невесомая жидкость, теплород, флогистон, перетекающая из одного тела в другое при теплообмене (Дж. Блэк), и корпускулярная теория – вид внутреннего движения частиц, температура зависит от быстроты движения частиц (Ньютон,
Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов)
• Открытие закона сохранения теплоты при теплообмене
– важный вывод на основе теории теплорода, введено понятие теплоёмкости, разработана количественная теория теплопроводности (термины сохранились до сих
пор)
3

4. Джозеф Блэк, шотланд. химик, 1728-1799

• Теория теплорода. Если силы тяготения действуют между всеми материальными телами, то магнитными
силами обладает только железо в намагниченном состоянии, а электрические силы присущи многим телам, но
только в наэлектризованном состоянии
• Поэтому физики стали приписывать эти силы не частицам вещества,
а якобы находящимся в порах обычных материальных тел неким тонким жидкостям; между этими жидкостями и частицами вещества действуют определенного рода силы
• Так же стали объяснять и природу
теплоты - нагревание тела связывали с присутствием некой жидкости теплорода, частицам которого также
присущи определенные силы
Джозеф Блэк,
шотланд. химик,
1728-1799
4

5. М.В. Ломоносов, русский химик, 1711-1765

• Например, между частицами теплорода действуют отталкивающие силы, а между частицами теплорода и
частицами материальных тел - силы
притяжения
• Первые серьезные сомнения в теории теплорода принадлежат американцу Румфорду
• Он обратил внимание на выделение
тепла при сверлении пушечных стволов и пришел к выводу (1798), что
количество выделяемой теплоты не
зависит от объема вещества, из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное
количество теплоты
• Это опровергало теорию теплорода
(теплота как вещество), дорогу для
понимания теплоты как формы движения (Ломоносов, Лавуазье)
М.В. Ломоносов,
русский химик,
1711-1765
5

6. Антуан Лавуазье, фр. химик, 1743-1794

• Теория теплорода, будучи весьма
простой, удовлетворяла эмпирическим и формалистическим традициям
науки того времени, общей направленности ньютонианской физики и была исторически необходимым этапом в
развитии физики
• Она сыграла и положительную роль,
объединив целый ряд накопленных
фактов и частных теорий, и позволила
их систематизировать с единой точки
зрения
• Хотя и в искаженной форме, эта теория отражала некоторые действительные закономерности тепловых явлений; поэтому она продержалась более
столетия, так как не тормозила развития физической науки и не сразу пришла в противоречие с действительностью
Антуан Лавуазье,
фр. химик,
1743-1794
6

7. Георг Вильгельм Рихман, русский физик, 1711-1753

• В первой половине XVIII в. были получены качественно новые результаты в области изучения электрических
явлений
• Важным шагом в изучении электрических явлений стало изобретение в
1745 г. лейденской банки, благодаря
которому физики могли получать значительные электрические заряды и
экспериментировать с ними
• Это усилило интерес к изучению электрических явлений и способствовало
утверждению представления о возможности практического применения
электричества, в том числе в лечебных целях
• В России исследования атмосферного
электричества проводили М.В. Ломоносов и Г. Рихман, который был убит
шаровой молнией, проводя 26.07.1753
Георг Вильгельм Рихман,
русский физик,
1711-1753
7

8. Алессандро Вольта, итальянский физик, 1745-1827

• Во второй половине XVIII в. учение
об электричестве и магнетизме развивается более быстрыми темпами
• Среди многих ярких открытий этого
времени — изобретение А. Вольта
источника постоянного тока (вольтов
столб)
• Выявляется способность электричества вызывать химические действия,
зарождается электрохимия
• В это же время намечаются две основные концепции в понимании электрических и магнитных явлений дальнодействия и близкодействия
• Новый этап в истории учения об электричестве и магнетизме начинается с
непосредственного измерения в 1780-х
гг. французским физиком Ш.О. Кулоном величины сил, действующих между электрическими зарядами
Алессандро Вольта,
итальянский физик,
1745-1827
8

9. Шарль Кулон, фр. физик, 1736-1806

• Им установлен основной закон электростатики — закона Кулона, который гласит, что электрические силы
ослабевают обратно пропорционально
квадрату расстояния, т.е. так же, как
гравитационная сила
q1 q2
F k 2
r
• Но по величине электрические силы
намного превосходят равитационные
• В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого
Г. Кавендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора, электрические силы,
действующие между телами обычных
размеров, можно легко наблюдать
Шарль Кулон,
фр. физик,
1736-1806
9

10. Генри Кавендиш, англ. физик и химик, 1731-1810

• Таким образом, к рубежу XVIII—XIX
вв. природа электричества частично
прояснилась
• Физика первой половины XIX в - это
время бурного развития капиталистического способа производства в Европе и Америке
• Французская революция 1789 г., наполеоновские войны способствовали
разложению феодализма и открывали
простор росту капитализма в странах
Европы
• В первой половине XIX в. промышленный переворот происходит во всех
передовых странах Европы
• Основой промышленного производства становится крупная машинная
индустрия
Генри Кавендиш,
англ. физик и химик,
1731-1810
10

11.

• Более высокими темпами, чем в 18 в, развиваются металлургическая, горнодобывающая, химическая, металлообрабатывающая и другие отрасли промышленности
• Машинная индустрия требует постоянного совершенствования техники - внедрения новых технологических методов, улучшения организации производства и т.д., а это в свою очередь
требует применения и постоянного развития естественнонаучных знаний
• Естествознание все в большей степени становится элементом
производительных сил, его развитие во многом определяется
потребностями промышленного и сельскохозяйственного производства
11

12. Роберт Фултон, амер. изобретатель, 1765-1815

• В этих условиях все более быстрыми
темпами развивается физическая наука; производство непрерывно ставит
перед ней все новые и новые проблемы, доставляя одновременно и новый
эмпирический материал; значительное развитие получает новая отрасль
– теплотехника; её возникновение было непосредственной реакцией на промышленный переворот, энергетической основой которого являлась паровая машина; изобретенная еще в 18 в.
паровая машина становится универсальным двигателем и применяется и
на промышленных предприятиях, и
на транспорте
• 1807 г. в Америке Р. Фултоном был
построен первый пассажирский колесный пароход
Роберт Фултон,
амер. изобретатель,
1765-1815
12

13. Джордж Стефенсон, англ. изобретатель, 1781-1848

• Первая железная дорога (Дж. Стефенсон) была открыта в 1825 г. в
Англии
• В течение короткого времени сеть
железных дорог покрыла территорию
Европы и Северной Америки; в России пассажирское железнодорожное
сообщение (на линии Петербург —
Царское село) было открыто в 1837 г.
• В первой половине XIX в. теплотехника своими обобщениями и
потребностями оказывала значительное влияние на развитие физики
• Зарождающаяся электротехника изучает закономерности применения электричества в технике
• Прежде всего электричество используют для связи
Джордж Стефенсон,
англ. изобретатель,
1781-1848
13

14. Борис Семёнович Якоби, русский электротехник, 1801-1874

• Вскоре после открытия в 1819 г. действия электрического тока на магнитную стрелку возникает идея построить электромагнитный телеграф
• Были предприняты первые попытки
использовать электричество в качестве двигательной силы
• Возникает новая область электротехники - гальванопластика, изобретателем которой был русский академик
Б.С. Якоби.
• В 1832 г. в Петербурге демонстрировался первый практически действующий телеграф русского изобретателя
ПЛ. Шиллинга
• Вскоре появляются другие конструкции телеграфа
• В 1844 г. в Америке была построена
первая телеграфная линия
Борис Семёнович Якоби,
русский электротехник,
1801-1874
14

15. Джеймс Джоуль, англ.физ., 1842-1923

• В середине XIX в. Дж.Джоулем
экспериментально доказана связь
между механической работой и
количеством теплоты, а принцип
теплорода заменён более глубоким законом сохранения энергии
на основе МКТ вещества
• Создание термодинамической
теории привело к практическому
её использованию для описания
работы паровых машин
• Значительный вклад в развитие
теории тепловых явлений, описываемых законами статистической
механики, с использованием понятия термодинамической вероятности состояния системы сделали немецкий ученый Рудольф
Клаузиус (1822-1888) и австрийский физик Людвиг Больцман
(1844-1906)
Джеймс Джоуль, англ.физ.,
1842-1923
15

16. Ньютон и Гюйгенс – авторы корпускулярной теории света

• Интерес к оптическим проблемам в начале 19 в. был продиктован развитием учения об электричестве, химии и теплотехнике
• Казалось, что в природе теплоты, света и электричества есть
нечто общее
• Открытие и изучение фотохимических реакций, химических
реакций с выделением теплоты и света, тепловых и химических действий электричества - все это заставляло думать, что
изучение света окажется полезным для решения важных научных и практических задач
• В 18 в. подавляющее большинство ученых придерживалось
корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла
многие, но не все оптические явления
16

17. Томас Юнг, англ. физик, врач, астороном, 1781-1848

• В начале 19 в. в поле зрения физиков
попадают вопросы интерференции,
дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией
• Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей волновой оптики
• В оптике происходит настоящая научная революция, закончившаяся победой волновой теории света над корпускулярной
• Первым в защиту волновой теории
света выступил в 1799 г. английский
врач Т. Юнг, разносторонне образованный человек, занимавшийся исследованиями в области математики, физики, механики, ботаники и т.д., обладавший обширными знаниями
Томас Юнг,
англ. физик, врач,
астороном, 1781-1848
17

18. Интерференция в плёнке (вверху) и дифракция (внизу)

• Юнг критиковал корпускулярную
теорию света, указывая на явления,
которые нельзя объяснить с ее позиций, в частности, одинаковые скорости световых корпускул, выбрасываемых слабыми и сильными источниками, а также то обстоятельство, что при
переходе из одной среды в другую одна
часть лучей постоянно отражается, а
другая постоянно преломляется
• Юнг предложил рассматривать свет
как колеблющееся движение частиц
эфира: «...Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий,
заполняет Вселенную... Колебательные движения возбуждаются в этом
эфире каждый раз, как тело начинает
светиться»
• Волновую природу света он обосновывал прежде всего явлением интерференции и дифракции света
Интерференция в плёнке
(вверху) и дифракция
(внизу)
18

19. Опыт Физо, 1840 (вверху) Опыт Фуко, 1850 (внизу)

• Заключительным аккордом в борьбе
корпускулярной и волновой теорий
света явились результаты измерения
скорости света в воде
• Согласно корпускулярной теории,
скорость света в оптически более
плотной среде должна быть больше,
чем в оптически менее плотной, а по
волновой теории — наоборот
• В 1850 г. французские физики Ж. Фуко и А. Физо, измеряя скорость света с
помощью вращающегося зеркала, показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердили волновую теорию света
• К середине 19 в. приверженцев корпускулярной теории света осталось
мало
Опыт Физо, 1840 (вверху)
Опыт Фуко, 1850 (внизу)
19

20. Майкл Фарадей англ. физик, 1791-1867

• Любая новая теория, решая одни
проблемы, вместе с тем ставит и ряд
новых
• Так случилось и с волновой теорией
света; в отличие от корпускулярной,
волновая теория света должна была
решить вопрос о свойствах среды носителя световой волны; такую среду
еще со времен Декарта назвали эфиром
• Решение вопроса оказалось возможным с введением и экспериментальным обоснованием существования
физических полей, в частности, ЭМП
• Начиная с работ М.Фарадея и Дж.
Максвелла, будучи вначале лишь
вспомогательной моделью, это понятие становится в физике 19 в. все более и более конструктивной абстракцией
Майкл Фарадей
англ. физик, 1791-1867
20

21. Модель ЭМП (сверху) внизу - картинка

• Она позволяла понять многие факты, уже известные в области электрических и магнитных явлений, и предсказывать новые явления
• Со временем становилось все более
очевидным, что этой абстракции соответствует некоторая реальность
• Постепенно понятие поля завоевало
центральное место в физике и сохранилось в качестве одного из основных
физических понятий
• Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он
еще при жизни приобрел огромный
авторитет и славу; однако к его теоретическим взглядам современники в
лучшем случае оставались безразличными; первым обратил на них серьезное внимание Дж.К. Максвелл; он
воспринял эти представления, развил
их и построил теорию ЭМП
Модель ЭМП (сверху)
внизу - картинка
21

22.

22

23. Джеймс Максвелл, англ.физ., 1831-1879

• К созданию электромагнитной
теории поля привела длинная
цепь случайных открытий и
планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря притягивать лёгкие предметы и заканчивая идеей Дж. Максвелла
о порождении магнитного поля
переменным электрическим полем и наоборот
• Создание ЭМ теории привело
к практическому использованию ЭМ явления – изобретению радио, ЭМ генератора электрического тока, электродвителя
Джеймс Максвелл, англ.физ.,
1831-1879
23

24. Квантово-механическая картина мира

• Утверждение понятия «физическое поле» способствовало осознанию концепции близкодействия
• Открытие закона всемирного тяготения Ньютоном и,
через сто лет, закона электростатического взаимодействия электрических зарядов Кулоном поставили вопрос:
как тела и заряды действуют друг на друга на расстоянии?
• До введения понятия поля удовлетворительных ответов
на этот вопрос не было; предполагалось, что
взаимодействие возможно через пустое пространство –
концепция дальнодействия (Рене Декарт)
• В концепции близкодействия носителем сигнала от
тела к телу и от заряда к заряду является материальная
субстанция – гравитационное или электромагнитное
поле
24

25. Луи де Бройль, фр.физ. 1892-1987

• Скорость распространения сигнала (информации) конечна,
её максимальное значение равно скорости света в вакууме:
с = 300 000 км/с
• В философском плане – разделение мира на тела и частицы,
с одной стороны, поле и пустое
пространство – физический вакуум – с другой, соответствует
выделению двух крайних
свойств мира – дискретности и
непрерывности
•В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло в концепции
корпускулярно-волнового дуализма –
Луи де Бройль, фр.физ.
1892-1987
25

26. Макс Планк, нем.физ., 1831-1879

• Концепция корпускулярноволнового дуализма – все тела
могут проявлять в разных ситуациях одновременно и волновые, и корпускулярные свойства; наглядно это можно наблюдать на фотонах света и элементарных частицах (электроны)
• После появления квантовой
теории поля представление о
взаимодействии изменилось:
любое поле имеет дискретную
структуру, ЭМ взаимодействие,
например, является результатом обмена фотонами – квантами ЭМП; в гравитационном
взаимодействии (гипотеза)
принимают участие гравитоны
и т.д.
Макс Планк, нем.физ.,
1831-1879
26

27. Альберт Эйнштейн, нем.физ., 1879-1955

• Согласно полевой концепции,
участвующие во взаимодействии частицы в окружающем
пространстве создают поле сил,
проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы,
помещённые в какую-либо точку данного пространства
• Первоначально выдвигалась
механическая интерпретация
поля как упругих натяжений
гипотетической среды (невесомой, невидимой, неосязаемой) –
эфира
• Теория относительности
отвергла эфир как упругую
среду, но придала похожему
понятию – полю, смысл
физической реальности
• Первоначально выдвигалась
Альберт Эйнштейн, нем.физ.,
1879-1955
27

28. Поль Дирак, англ.физ., 1902-1984

• В совеременной квантовой физике
на роль «эфира» претендует возможный вид материи – физический
вакуум (П. Дирак)
• Хотя мы его не видим (он позрачен для ЭМИ и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), вакуум
может проявляться при взаимодействии частиц или ЭМВ с большой
энергией
• Например, гамма-квант излучения при наличии ещё одной частицы (атомного ядра) может исчезнуть сам, породив при этом пару
электрон-позитрон, как бы «вырванную» из вакуума
• В истории науки за 300 лет предложены по крайней мере четыре
разные концепции «эфира»:
• Первоначально выдвигалась
Поль Дирак, англ.физ.,
1902-1984
28

29.

• абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака
• Насколько оправдается интуиция физиков о существовании
особой среды – физического вакуума, покажет будущее
• Уравнения Максвелла – наиболее общие уравнения электродинамики сыграли такую же роль в электромагнитной картине мире, как законы Ньютона в механической картине
мира
• Корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределённости и вероятностный характер микропроцессов, описываемый
волновой функцией, строение атомного ядра и гипотеза кварков (1967, амер.физ. М. Гелл-Ман), формула Эйнштейна, связавшая массу и энергию материальных объектов
Е =mc2,
• привели в конечном итоге к созданию современной естественнонаучной картины – квантово-полевой картины мира
• Современную естественнонаучную картину дополняют открытия в других областях науки, экологические и социальные
теории существующей цивилизации (у/ф)
29