Т. Карпова - Концепции современного естествознания

• Название: Концепции современного естествознания
• Автор: Т. Карпова
• Жанр: Детская образовательная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-17-069999-5

В книге изложены ответы на основные вопросы темы «Концепции современного естествознания». Издание поможет систематизировать знания, полученные на лекциях и семинарах, подготовиться к сдаче экзамена или зачета.

Пособие адресовано студентам высших и средних образовательных учреждений, а также всем интересующимся данной тематикой.

---

На основе своих уравнений Максвелл пришел к мысли о существовании электромагнитных волн, скорость которых должна быть равна скорости света. Вслед за Фарадеем он отнес свет к электромагнитным волнам. К характеристикам электромагнитной волны он отнес ее способность оказывать давление на поставленную перед волной преграду, что позже позволило опытным путем доказать существование этой характеристики. Максвелл предположил, что атом, который физика считала неделимым, состоит из множества элементарных частиц (позже был открыт электрон). Теорию Максвелла принято называть началом конца классической физики. Следом за теорией Максвелла появились электронная теория Лоренца и знаменитая теория относительности Эйнштейна.

Исследования Лоренца были направлены на изучение структуры вещества, разложении его на мельчайшие составляющие. Лоренц первым высказал предположение о существовании крайне малых электрически заряженных частиц – электронов – которые имеются в любом материальном теле.

Свою точку зрения на структуру вещества Лоренц обнародовал в 1865 г. В своей электронной теории Лоренц использовал теорию Максвелла и общепринятые положения о дискретности электрических зарядов, то есть их атомарную составляющую. Теория Лоренца, не имевшая прежде экспериментального подтверждения, блестяще подтвердилась в 1897 г., когда был обнаружен электрон. На общих основаниях электронной теории Лоренц совместно с физиком Друде создал также электронную теорию металлов, основными положениями которой являются следующие:

1. Свободные электроны (электроны проводимости) образуют в металлах электронный газ.

2. Основой структуры металла является кристаллическая решетка, в узлах которой расположены ионы.

3. В электрическом поле действие сил поля превращает беспорядочное движение электронов в упорядоченное.

4. Электрическое сопротивление объясняется тем, что при движении электроны сталкиваются с ионами решетки.

Новая теория хорошо объясняла и давала количественные описания для многих явлений, но некоторые (например, зависимость сопротивления металлов от температуры, нестабильная величина отношения заряда к его массе и т. п.) объяснить не могла. В первые десятилетия XX в. новые открытия подтвердили, что законы классической механики и законы идеальных газов не работают для сверхмалых элементарных частиц, в том числе и для электронов.

К началу XX в. остро встал вопрос о системах отсчета, избираемых для проведения вычислений и объяснения экспериментальных данных, получивших название инерциальных систем. Галилей разделил частные характеристики объектов на инвариантные (неизменные) и вариантные (изменяющиеся).

К инвариантным (то есть остающимся постоянными в любой системе отсчета) он отнес время, массу, ускорение, силу. К вариантным (то есть изменяющимся при переходе из одной системы отсчета в другую) он отнес координаты, скорость, импульс, кинетическую энергию. Свои выводы он обосновал системой преобразований и закрепил в сформулированном им механическом принципе относительности, или принципе относительности Галилея. Этот принцип был основательно поколеблен при изучении поведения молекул в больших системах.

Но еще большие сомнения в истинности данного принципа возникли после исследований свойств и природы света и законов его распространения. На XIX в. приходится открытие физического вакуума. Исследуя скорость распространения света в вакууме, выявили, что эта скорость является постоянной (с ≈ 3 · 108 м/с) и во всех системах отсчета независимо от величины и направления скорости их движения остается такой же, как и в системе отсчета, связанной с источником света.

Сразу же возникли сомнения в: 1) чистоте экспериментов; 2) применимости законов классической механики и, в частности, принципа относительности Галилея к явлениям электромагнитной природы; 3) определении верной системы отсчета.

Возник вопрос и о среде, в которой распространяется свет. Считалось, что такой средой является эфир. Возникли идеи, что эфир является абсолютной средой, идеальной средой для распространения света. Выдвигалось множество теорий по поводу эфира, проводились разного рода эксперименты, которые ничего не объяснили и ничего не доказали. Кроме одного: классическая механика объяснить эксперименты со светом по принципу относительности Галилея не может. Но поскольку этот принцип работает для макромира, то для мира элементарных частиц или космического пространства требуется, скорее всего, другой принцип.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Новая теория пространства и времени опиралась на экспериментальные данные и была разработана для объяснения противоречий, которые не могли быть разрешены в рамках классической механики. В основу специальной теории относительности легли два принципа Эйнштейна:

1. Принцип относительности, который распространил действие принципа относительности Галилея на любые физические явления и формулировался следующим образом: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Принцип относительности Эйнштейна указывал, что ни один эксперимент внутри конкретной системы отсчета не сможет доказать, в каком состоянии находится сама система отсчета – покоится или движется равномерно и прямолинейно, и поэтому все системы отсчета равноправны, физические законы в них инвариантны, а математическое выражение законов имеет одинаковую форму.

2. Принцип постоянства скорости света, который гласит, что скорость света в вакууме постоянна, не зависит от движения источника и приемника света, одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Эйнштейн доказал, что скорость света в вакууме является предельной скоростью, возможной в природе, и объявил ее важнейшей физической постоянной, мировой константой. С этим постулатом Эйнштейна согласились не все, и до сих пор существуют попытки опровергнуть его истинность.

Эйнштейн уточнил и видоизменил математическое выражение законов Ньютона, и на основе его вычислений и теории была создана новая релятивистская механика, базирующаяся на принципе относительности Эйнштейна.

Следствиями новой теории были такие выводы:

– при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света;

– ни одно физическое тело и ни одна частица не могут двигаться со скоростью большей скорости света;

– время в движущейся системе отсчета замедляется относительно неподвижной системы;

– масса и энергия взаимосвязаны и вычисляются по формуле: E = m · c2.

Общая теория относительности была опубликована в 1916 г. Она распространила принципы специальной теории относительности на неинерциальные (ускоренные) системы. Эйнштейн указал, что все системы отсчета, инерциальные и неинерциальные, равноценны для описания движения материальных объектов, и определил отличия между системами: инерциальная система движется равномерно и прямолинейно, неинерциальная система движется с ускорением. В рамках общей теории относительности он разработал полевую теорию тяготения, предположив существование гравитационного поля и особых частиц гравитации, которые назвал гравитонами.

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 следующие основные выводы:

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).