Коллектив авторов - Концепции современного естествознания. Учебное пособие

4) эта сила тяготения действует между всеми материальными телами на расстоянии.

В отношении природы силы тяготения И. Ньютон говорил: «Гипотез не измышляю».

Механика Галилея – Ньютона, развитая в работах Д. Аламбера, Ж. Л. Лагранжа, П. С. Лапласа, У. Р. Гамильтона, получила в итоге стройную форму, определяющую физическую картину мира того времени. Эта картина основывалась на принципах самотождественности физического тела; его независимости от пространства и времени; детерминированности, т. е. строгой однозначной причинно-следственной связи между конкретными состояниями физических тел; обратимости всех физических процессов.

Исследования процесса превращения теплоты в работу и обратно, осуществленные в XIX в. С. Кално, Р. Майером, Д. Джоулем, Г. Гемгольцем, Р. Клаузиусом, У. Томсоном (лордом Кельвином), привели к выводам, о которых Р. Майер писал: «Движение, теплота… электричество представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам» [3] Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии. М., 1933. С. 62. . Г. Гемгольц обобщает это утверждение Р. Майера в вывод: «Сумма существующих в природе напряженных и живых сил постоянна» [4] Гельмгольц Г. О сохранении сил. М., 1922. С. 15. . Уильям Томсон уточнил понятия «напряженные и живые силы» до понятий потенциальной и кинетической энергии, определив энергию как способность совершать работу. Р. Клаузиус обобщил эти идеи в формулировке: «Энергия мира постоянна». Так совместными усилиями сообщества физиков был сформулирован фундаментальный для всего физического знания закон сохранения и превращения энергии.

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного закона – закона возрастания энтропии.«Переход теплоты от более холодного тела к более теплому, – писал Р. Клаузиус, – не может иметь места без компенсации» [5] Клаузиус Р. Механическая теория тепла // Второе начало термодинамики. М., 1954. С. 134. . Меру способности теплоты к превращению Клаузиус назвал энтропией.Суть энтропии выражается в том, что во всякой изолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей, существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают необратимо. Принцип, утверждающий стремление энтропии к максимуму, называют вторым началом термодинамики. Первое начало – закон сохранения и превращения энергии.

Принцип возрастания энтропии поставил перед физической мыслью ряд проблем: соотношения обратимости и необратимости физических процессов, формальности сохранения энергии, не способной совершать работу при температурной однородности тел. Все это требовало более глубокого обоснования начал термодинамики, прежде всего природы тепла.

Попытку такого обоснования предпринял Людвиг Больцман, который пришел, опираясь на молекулярно-атомное представление о природе теплоты, к выводу о статистическомхарактере второго закона термодинамики, т. к. вследствие огромного числа молекул, составляющих макроскопические тела, и чрезвычайной быстроты и хаотичности их движения мы наблюдаем лишь средние значения.

Определение же средних значений – задача теории вероятностей. При максимальном температурном равновесии максимален и хаос движения молекул, в котором исчезает всякий порядок. Встает вопрос: может ли и если да, то как, из хаоса снова возникнуть порядок? На это физика сможет ответить лишь через сто лет, введя принцип симметрии и принцип синергии.

К середине XIX в. физика электрических и магнитных явлений достигла определенного завершения. Был открыт ряд важнейших законов Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и т. д. Все эти законы базировались на принципе дальнодействия.Исключением были взгляды Фарадея, который считал, что электрическое действие передается посредством непрерывной среды, т. е. на основе принципа близкодействия.Опираясь на идеи М. Фарадея, английский физик Дж. Максвелл вводит понятие электромагнитного поляи описывает «открытое» им состояние материи в своих уравнениях…«Электромагнитное поле, – пишет Дж. Максвелл, – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии» [6] Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1952. С. 175. . Комбинируя уравнения электромагнитного поля, Дж. Максвелл получает волновое уравнение, из которого следует существование электромагнитных волн,скорость распространения которых в воздухе равна скорости света. Существование таких электромагнитных волн экспериментально было подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем в 1888 г.

Для того чтобы объяснить взаимодействие электромагнитных волн с веществом, немецкий физик Гендрик Антон Лоренц выдвинул гипотезу о существовании электрона,т. е. малой электрически заряженной частички, которая в громадных количествах присутствует во всех весомых телах. Эта гипотеза объяснила открытое в 1896 г. немецким физиком П. Зееманом явление расщепления спектральных линий в магнитном поле. В 1897 г. У. Томсон экспериментально подтвердил наличие мельчайшей отрицательно заряженной частицы, или электрона.

Так в рамках классической физики возникла достаточно стройная и завершенная картина мира, описывающая и объясняющая движение, гравитацию, теплоту, электричество и магнетизм, свет. Это и дало повод лорду Кельвину (У. Томсону) сказать, что здание физики практически построено, не хватает лишь нескольких деталей…

Во-первых, оказалось, что уравнения Дж. Максвелла являются неинвариантными относительно преобразований Г. Галилея. Во-вторых, теория эфира как абсолютной системы координат, к которой «привязаны» уравнения Дж. Максвелла, не нашла экспериментального подтверждения. Опыт Майкельсона-Морли показал, что никакой зависимости скорости света от направления в движущейся системе координат нет. Сторонник сохранения уравнений Дж. Максвелла Гендрик Лоренц, «привязав» эти уравнения к эфиру как абсолютной системе отсчета, пожертвовал принципом относительности Г. Галилея, его преобразованиями и сформулировал свои преобразования. Из преобразований Г. Лоренца следовало, что пространственные и временные интервалы неинвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Все бы ничего, но существование абсолютной среды – эфира – не подтверждалось, как отмечалось, опытно-экспериментально. Это кризис.