Ольга Стрельник - Концепции современного естествознания: конспект лекций

В 1818 г. с критикой корпускулярной теории выступил французский физик О. Френель. Его выводы убедительно говорили в пользу волновой теории. Предложенная О. Френелем волновая теория предполагала существование явления дифракции, которое должно было наблюдаться в виде светлого пятна в центре тени, отбрасываемой круглым экраном. Это рискованное предположение получило блестящее экспериментальное подтверждение, и волновая теория О. Френеля в начале XIX в. была признана научным сообществом. Окончательное подтверждение волновая теория получила после измерения скорости света в разных средах – воде и воздухе. Согласно корпускулярной теории скорость света в воде должна быть больше, чем скорость света в воздухе. Однако эксперимент показал, что скорость света в воде, т. е. в более плотной среде, оказалась меньше, чем скорость света в воздухе – менее плотной среде.

Недостатком волновой теории света было представление о среде – носителе световой волны. В XIX в. выдвигалась гипотеза, согласно которой таким носителем выступает светоносный эфир. Однако эта гипотеза сталкивалась с серьезной проблемой, разрешить которую не удавалось. Если предположить, что концепция светоносного эфира верна, то возникает вопрос, как эфир взаимодействует с веществом; в частности, увлекается ли эфир Землей при ее движении. Если эфир не увлекается движущимися телами, то его можно рассматривать в качестве абсолютной системы отсчета. Если же он взаимодействует с веществом, то это взаимодействие должно наблюдаться в оптических явлениях.

Недостатки волновой теории света привели к тому, что в конце XIX – начале XX в. физики вновь вернулись к корпускулярной теории, в научный обиход было введено представление об особых световых частицах – фотонах. Корпускулярные и волновые представления объединились только в концепции корпускулярно-волнового дуализма, т. е. уже в неклассической физике XX в. (3.3).

Четвертой составляющей классической физики является электродинамика, или теория электромагнитного поля.

В 80-е гг. XVIII в. французский физик Ш. О. Кулон провел ряд экспериментов по измерению силы, действующей между двумя зарядами. В результате обобщения опытных данных был сформулирован основной закон электростатики: электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Таким образом, оказалось, что электрическая сила действует так же, как и гравитационная.

В 30-е гг. XIX в. английский физик М. Фарадей предложил понятие поля. Это понятие противоречило представлениям о материи как совокупности атомов. По мнению М. Фарадея, активная и постоянно движущаяся материя не может быть представлена в виде атомов и пустоты, материя непрерывна, атомы есть лишь сгустки силовых линий поля. Безусловно, концепция поля в электродинамике могла сформироваться только после утверждения волновой теории в оптике. М. Фарадей высказал также предположение о единстве электрических и магнитных явлений. В 1831 г. он поставил опыт, который продемонстрировал, что переменное магнитное поле индуцирует электрический ток.

На основе экспериментальных данных М. Фарадея в 60-е гг. XIX в. Дж. Максвелл создал единую теорию электромагнитного поля. Основные принципы своей концепции он изложил в работе «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864). Вспомогательному понятию поля Дж. Максвелл придал точный физический смысл: «Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии». Дж. Максвелл высказал предположение, что любое переменное электрическое поле, возникающее между движущимися электрическими зарядами, порождает магнитное, а переменное магнитное поле возбуждает электрическое. Таким образом, источником электрического поля могут быть неподвижные электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля, а источником магнитного поля – движущиеся электрические заряды или переменные электрические поля. Концепция Дж. Максвелла позволила сделать предположение о существовании переменного электромагнитного поля, которое распространяется в пространстве с конечной скоростью. Было установлено, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия равна скорости света в вакууме– 300 000 км/с. Оказалось, что свет– это электромагнитные волны определенной длины (от 380 до 770 нм). Таким образом, теория Дж. Максвелла теоретически обосновала родство электромагнитных и оптических явлений, предположение о котором высказывалось ранее.

Несмотря на успехи и большой эвристический потенциал, электромагнитная теория Дж. Максвелла имела ряд недостатков. Так, в ней использовалась сомнительная гипотеза светоносного эфира. По сути дела, концепция Дж. Максвелла отождествляла понятия эфира и электромагнитного поля. В конце XIX в. физики отказываются от гипотезы эфира и начинают рассматривать электромагнитное поле как особую форму материи, свойства которой невозможно объяснить механическими закономерностями. Преодоление противоречий классической электродинамики началось в 1900 г., когда немецкий физик М. Планк выдвинул собственную концепцию (3.2, 3.3).

В XVII–XVIII вв. быстро развивается еще одна естественно-научная дисциплина – химия – наука о качественных преобразованиях вещества, происходящих вследствие изменения его состава или строения. К этому времени алхимия, доминировавшая в средневековой культуре IX–XVI вв. и в значительной мере подготовившая возникновение научной химии, приходит в упадок. В основе классической химии лежит философская концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкиппом, Демокритом и Эпикуром. Суть атомизма заключается в понимании вещества как совокупности мельчайших, неделимых частиц – атомов. Атомы находятся в постоянном движении, благодаря которому они могут взаимодействовать друг с другом. Все многообразие мира есть результат взаимодействия атомов. Вплоть до конца XIX в. в естествознании господствовало представление о том, что атом – это наименьшая частица вещества, предел делимости материи; в ходе химических превращений веществ разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными. Только наука XX в. показала, что элементарными частицами выступают отнюдь не атомы (3.4).

Начало научной химии связывают с работами английского ученого XVII в. Р. Бойля, который предложил понятие «химический элемент». По мнению Р. Бойля, химический элемент – это «простое тело», входящее в состав вещества и определяющее его свойства. Таким образом, первой концептуальной идеей теоретической химии становится утверждение о том, что свойства вещества зависят от входящих в его состав химических элементов. При этом понятие «простого тела» еще не было окончательно сформулировано ни Р. Бойлем, ни его последователями, и часто в качестве химических элементов они рассматривали соединения, а химические элементы, напротив, понимали как сложные вещества. Тем не менее их полуинтуитивные представления послужили основой для формулирования современного представления о химическом элементе как о совокупности атомов с одинаковым зарядом ядра, которые, однако, могут различаться по своей массе.