Ирина Богданова - Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Улучшенная теория базировалась на следующих принципах:

1) принцип относительности распространяется на все движущиеся системы;

2) применение принципа постоянства скорости света ограничено областями, где гравитационными силами можно пренебречь.

Эйнштейн отказался от применения принципа дальнодействия (то есть мгновенного взаимодействия между объектами) и высказал принцип близкодействия (взаимодействия между объектами на уровне частиц).

Общая теория относительности дала два основных вывода:

1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.

2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.

3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.

Из этих выводов естественно вытекает, что:

1) время замедляется или ускоряется в зависимости от того, в какой системе находится наблюдатель – в движущейся или покоящейся;

2) в сильном поле тяготения происходит искривление пространственно-временного континуума, и чем больше масса, тем сильнее будет искривление пространства. Это положение Эйнштейна легло в основу создания новых научных космологических теорий;

3) из-за поля тяготения линии солнечного спектра будут смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников (что было доказано экспериментально при изучении спектральных данных Солнца).

Электромагнитная теория базируется на естественнонаучном материализме и принципах теории электромагнитного поля:

1) материя континуальна (непрерывна);

2) электромагнитное поле материально;

3) материя и движение связаны неразрывно;

4) пространство, время и движущаяся материя связаны между собой.

В электромагнитной картине мира материя существует в двух видах – как вещество и как поле. Это две формы существования материи – они не могут переходить одна в другую и строго разделены. Основополагающим является поле, имеющее континуальные характеристики, а не вещество с его дискретностью.

В годы создания электромагнитной картины мира пространство представлялось как пустое, но заполненное эфиром (о свойствах и качествах которого не было единого мнения). После появления специальной теории относительности от идеи эфира отказались. Пространство стало пониматься как единое со временем и образующее единый четырехмерный мир; свойства пространственно-временного континуума зависят от распределения и движения материи. Человек воспринимает пространство и время как проекции, то есть отдельно друг от друга. Электромагнитная картина мира ввела понятие мировой точки, то есть события с некой частицей, которая из одной точки четырехмерного пространства-времени перемещается в другую по траектории, которую называют мировой линией.

В основе электромагнитной картины мира лежит рассмотрение двух видов взаимодействий близкого порядка – гравитационного и электромагнитного, которые относятся к полевому взаимодействию. Эйнштейн пытался свести эти взаимодействия к единому, объединив гравитационное и электромагнитные поля, и создать единую теорию поля, но не успел. Единой теории поля не существует и сегодня.

Основополагающими являются принципы: относительности Эйнштейна, близкодействия, постоянства и предельной скорости света, эквивалентности инертной и гравитационной масс, причинности, взаимосвязи массы и энергии.

Но электромагнитная картина мира не могла объяснить некоторых явлений (соотношения между полем и зарядом, устойчивость атомов, их спектры, явление фотоэффекта, излучение абсолютно черного тела и т. п.), и на смену ей пришла квантово-полевая картина мира .

В основе квантовой физики лежат идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме. Квантованными называются физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, а выражение таких величин через квантовые числа называется квантованием . Идея квантования относится к концу XIX – началу XX вв. и связана с рядом открытий в физике и получением ряда экспериментальных данных. Большое значение для появления и развития квантовой физики имело открытие электрона, который обладал сверхмалым отрицательным зарядом. Для выражения заряда электрона пришлось применить способ, названный квантованием. Математическое выражение силы заряда через квантование для электрона выглядит как q = ±n · e.

Толчком для развития квантовых представлений о мире явились и противоречия в существующей электромагнитной теории, которые привели к испугавшим научный мир расчетам и разговорам об ультрафиолетовой катастрофе. Суть сводилась к тому, что рассчитанная энергия теплового излучения на всех частотах равнялась бесконечности, а такого не могло быть, исходя из закона сохранения энергии, и говорило неверной теории либо близкой космической катастрофе.

Планк предложил новую теорию, предполагавшую, что электромагнитное излучение испускается отдельными порциями (квантами), величина которых пропорциональна частоте излучения, поэтому энергия может принимать лишь дискретные значения, равные целому числу квантов энергии. В рамках этой теории закон сохранения энергии соблюдался, а сама гипотеза Планка легла в основу квантовой физики.

Экспериментально квантовую теорию подтверждало явление фотоэффекта (выбивание электронов из вещества под действием света), для которого были выявлены следующие закономерности: независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света и зависимость от частоты световой волны; наличие для каждого вещества минимальной частоты, при которой фотоэффект возможен («красной» границы фотоэффекта). Объяснить их электромагнитной теорией было невозможно. Эйнштейн предположил, что свет представляет собой поток световых частиц – квантов, которые позже были названы фотонами. Таким образом, в основе света лежит как волновая, так и корпускулярная природа.

Свет был таким природным явлением, которое на протяжении всего развития науки труднее всего поддавалось объяснению. Ньютон объяснял свет существованием множества корпускул, Гук и Гюйгенс – как механическую волну, Максвелл – как электромагнитную волну. Открытие фотоэффекта заставило снова вернуться к корпускулярной теории. И наконец, сформировалась корпускулярно-волновая теория света, признавшая наличие и тех и других качеств.