Аркадий Липкин - Концепции современного естествознания. Часть 1. Науки о неживом (физика, химия, синергетика)

• Название: Концепции современного естествознания. Часть 1. Науки о неживом (физика, химия, синергетика)
• Автор: Аркадий Липкин
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-4475-3641-1

Самое сложное при столкновении с незнакомой областью – понять, что надо понимать. С ответа на этот вопрос и начинается данный курс, в котором применение специфического методологического подхода позволяет обойти сложную математику и на уровне понимания рассматривать самые глубокие и сложные вопросы естественных наук, включая концепции теории относительности и квантовой механики.

---

Есть особенность и в способе образования ВИО (И-фаза): для модели непрерывной среды не характерно построение ВИО в виде комбинации многих сред. Как правило, ВИО здесь возникают путем добавления различных граничных условий (границы внешние – типа берегов реки, и внутренние – типа островов или кораблей).

Модель сплошной (непрерывной) среды порождает две дочерние модели – волны и силовые поля, которые тоже являются «архетипическими» и используются для построения ПИО в различных разделах физики.

Так над гидродинамической моделью сплошной среды надстраивается модель волны. Волны – это изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию13. Наиболее важные и часто встречающиеся виды волн – упругие волны (в том числе звуковые), волны на поверхности жидкости и электромагнитные волны. То есть некий тип состояний среды представляется в виде стационарного состояния (типа гладкой поверхности воды) и особого типа нестационарной добавки (чаще всего колебательного характера), называемой волной, которая возникает во многих средах в результате локального возмущения стационарного состояния (типа брошенного в воду камня).

Но, с другой стороны, волны могут рассматриваться как системы. Причем так же как различные механические системы собираются из частиц, волны (это может быть одиночный импульс, цуг, состоящий из нескольких импульсов, и т. д.) собираются из простейших, так называемых гармонических, или синусоидальных, волн. Все прочие волны можно представить в виде суммы синусоидальных волн. При этом линейные волны подчиняются принципу суперпозиции, т. е. они распространяются независимо друг от друга. Таким образом гармонические, или синусоидальные, волны играют здесь роль ПИО, которые характеризуются частотой (подобно тому, как механические частицы характеризуются массой). Направление распространения гармонической волны, ее амплитуда, начальная фаза, поляризация характеризуют ее состояние. Они меняются под действием затухания, фильтров, поляризаторов, фазовых пластин, зеркал и т. п., выступающих в роли внешних воздействий («сил»). Волны имеют передний и задний фронты (начало и конец, расстояние между которыми определяет еще один важный параметр волны – ее «длину когерентности»).

То есть волна представляет собой протяженный, но локальный (ограниченный) объект, движущийся в пространстве. Поэтому многое в их поведении напоминает поведение частиц. Не случайно в течение долгого времени конкурировали волновая и корпускулярная модели распространения света. Тем не менее исходно они выступают как альтернативные модели. Специфическими свойствами волн, характеризующими их распространение как принципиально отличное от движения частиц, являются свойства интерференции (термин, введенный Томасом Юнгом в 1803 г.) и дифракции (явление огибания тела волной, из-за чего предсказываемые геометрической оптикой резкие тени размываются). Эти свойства отличают поведение волн от поведения потока частиц, описываемого законами геометрической оптики.

Наиболее ярким является свойство интерференции: две совпадающие по частоте и имеющие неизменную разность фаз («когерентные») волны могут находиться как «в фазе» (максимум (гребень) под максимумом – слева на рис. 5.1), так и «в противофазе» (максимум (гребень) под минимумом (впадиной)– справа на рис. 5.1). В первом случае они складываются, во втором – вычитаются.

Рис. 5.1

В результате возможна ситуация, когда сложение двух волн приводит к их взаимоуничтожению (аннигиляции). Такая ситуация для классических частиц невозможна14. Поэтому данное явление – наличие светлой точки в центре тени от диска – однозначно указывает на волну. И когда Томас Юнг показал, что свет обладает этим свойством, то спор о природе света был решен в пользу волн.

Поскольку кроме рассмотренных крайних случаев возможны и все промежуточные, то общая картина интерференции может выглядеть более сложно. В общем случае при приходе двух совпадающих по частоте и имеющих неизменную разность фаз (когерентных) волн в точках среды, куда обе волны приходят в фазе, они усиливают друг друга, а в точках, куда они приходят в противофазе, – ослабляют. В результате получается картина так называемых интерференционных полос. В частности, в случае пучка света, падающего перпендикулярно на экран с двумя щелями, на стоящем за ним параллельном экране максимум интенсивности наблюдается в центре геометрической тени. На сечении экрана плоскостью, проходящей через середину между щелями перпендикулярно экранам, наблюдается максимум интенсивности света, и это будет повторяться при разности расстояний до щелей кратной длине волны. В интервале между этими максимумами интенсивность света будет убывать к середине этого интервала, где освещенность будет равна нулю, так как световые волны от двух щелей приходят туда в противофазе. Эта картина изображена на правой части рис. 7.2, где справа изображен график интенсивности суммарной волны. Это классический опыт по доказательству волнового (а не корпускулярного, как предполагал Ньютон) характера света.

Явление дифракции состоит в огибании резкой границы волной (правая часть рис. 5.2), из-за чего предсказываемые геометрической оптикой резкие тени размываются.

Рис. 5.2

Модель силового поля рождается в электродинамике Максвелла, точнее Фарадея–Максвелла, поскольку основы модельного слоя были заложены Фарадеем на основе модели силовых линий, а математический слой был разработан Максвеллом. Фарадей, исходя из концепции близкодействия, перенес центр тяжести своих исследований с электрических и магнитных тел на пространство между этими телами. «Если они (линии магнитной силы) существуют, – писал он, – то не как результат последовательного расположения частиц… но обусловлены пространством, свободным от таких материальных частиц. Магнит, помещенный в лучший вакуум, … действует на магнитную иглу так же, как если бы он был окружен воздухом, водой или стеклом» (приводится по [Терентьев, с. 124]). «Магнитным полем, – пишет Фарадей, – можно считать любую часть пространства, через которую проходят линии магнитной силы … Свойства поля могут изменяться от места к месту по интенсивности силы как вдоль линий, так и поперек последних» [Фарадей, т. 3, § 2806]. Этот взгляд последовательно развил Дж. Максвелл. Он изначально исходил из новой модели поля, суть которой составляют «электрические силовые линии, существующие вне порождающих их зарядов» [Степин, с. 153]. И над этой моделью надстроил математический слой с помощью аналоговых гидродинамических моделей, жестко связанных со своим математическим слоем. «Формирование этого языка открывало путь к построению основ для исследования принципиально новых законов действия электрических и магнитных сил, включая физические процессы их взаимопревращения и распространения в пространстве (электромагнитные волны). … Такие физические процессы, вообще говоря, были просто бессмысленны с точки зрения понимания силы как причины ускорения материальной точки;…» [Менцин, с. 265–266].

Основной новый элемент модели, унаследованный от Фарадея, – система-поле, состояния которого определяются значениями напряженностей электрической и магнитной составляющих – новых измеримых величин. Важнейшим шагом на этом пути было определение операций измерения характеристик поля посредством пробного заряда и пробного витка с током.

Таким образом модель силового поля, формирующаяся в электродинамике Фарадея−Максвелла – это разновидность сплошной (непрерывной) среды. Она очень близка гидродинамической модели Эйлера. Здесь тот же тип состояния – состояния электромагнитного поля задаются значениями напряженностей электрического и магнитного полей во всех точках пространства и измеряются с помощью пробных тел (заряда и витка с током). Специфика силового поля лишь в его «невещественности», его нельзя «пощупать», оно проявляется только в виде действующих сил.

6 . Создание теории относительности (ТО)

Со специальной теории относительности (СТО) начинается отсчет «неклассического» периода в физике. Ее появление вызвало сильнейшее потрясение в умах не только физиков. Она стала достоянием культуры новейшего времени и типичным представителем последней. При этом в культуре ХХ в. за ней, как и за общей теорией относительности (ОТО) и квантовой механикой, закрепился статус недоступности для простых смертных, она рассматривается как достояние узкого слоя жрецов в лице физиков-теоретиков, непосредственно занимающихся этим предметом. Такое отношение послужило благодатной почвой для возникновения многочисленных мифов, распространяющихся в общественном сознании. Попробуем разобраться в этих вопросах.