Современная естестественно-научная картина мира
Во второй половине ХIХ века предпринимаются попытки придать понятию
абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета новое научное
содержание, очистив их от того метафизического смысла, который был придан
им Ньютоном. В 1870 г. К. Нейман ввел понятие a -тела, как такого тела во
Вселенной, которое является неподвижным и которое можно считать за начало
абсолютной системы отсчета. Некоторые физики предлагали принять за a -тело
такое тело, которое совпадает с центром тяжести всех тел во всей Вселенной,
полагая, что этот центр тяжести можно считать находящимся в абсолютном
покое.
Комплекс вопросов об абсолютном пространстве и абсолютном движении
приобрел новый смысл в связи с развитием электронной теории и
возникновением гипотезы об электромагнитной природе материи. Согласно
электронной теории существует неподвижный всюду эфир и движущиеся в нем
заряды. Неподвижный эфир заполняет все пространство и с ним можно связать
систему отсчета, которая является инерциальной и, более того, выделенной из
всех инерциальных систем отсчета. Движение относительно эфира можно
рассматривать как абсолютное. Таким образом, на смену абсолютному
пространству Ньютона пришел неподвижный эфир, который можно рассматривать
как своего рода абсолютную и к тому же инерциальную систему отсчета.
Однако такая точка зрения уже с самого начала испытывала
принципиальные затруднения. Об абсолютном движении тела, т. е. движении
относительно эфира, можно говорить и представить, но определить это
движение невозможно. Целый ряд опытов (Майкельсона и другие), поставленные
с целью обнаружения такого движения, дали отрицательные результаты. Таким
образом, хотя абсолютная система отсчета и была, как казалось, найдена, тем
не менее, она, как и абсолютное пространство Ньютона, оказалась
ненаблюдаемой. Лоренц для объяснения результатов, полученных в этих опытах,
вынужден был ввести специальные гипотезы, из которых следовало, что,
несмотря на существование эфира, движение относительно него определить
невозможно.
Однако вопреки таким мнениям все чаще и чаще высказывались соображения
о том, что само понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения
как движения относительно некоего абсолютного пространства лишено всякого
научного содержания. Вместе с этим лишается содержания и понятие абсолютной
системы отсчета и вводится более общее понятие инерциальной системы
отсчета, не связанное с понятием абсолютного пространства. В результате
понятие абсолютной системы координат становится бессодержательным. Иначе
говоря, все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под
влиянием каких-либо других тел, равноправны.
В 1886 г. Л. Ланге, проводя исторический анализ развития механики, и
утверждая бессодержательность понятия абсолютного пространства, предложил
определение инерциальной системе координат: инерциальные системы - это
системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг по отношению к
другу. Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в
соответствии с преобразованиями Галилея.
Преобразования Галилея в течение столетий считались само собой
разумеющимися и не нуждающимися ни в каком обосновании. Но время показало,
что это далеко не так.
В конце XIX в. с резкой критикой ньютоновского представления об
абсолютном пространстве выступил немецкий физик, позитивист Э. Мах. В
основе представлений Маха как физика лежало убеждение в том, что “движение
может быть равномерным относительно другого движения. Вопрос, равномерно ли
движение само по себе, не имеет никакого смысла”. В связи с этим Мах
рассматривал системы Птолемея и Коперника как равноправные, считая
последнюю более предпочтительной из-за простоты.) Это представление он
переносит не только на скорость, но и на ускорение. В ньютоновской механике
ускорение (в отличие от скорости) рассматривалось как абсолютная величина.
Согласно классической механике, для того чтобы судить об ускорении,
достаточно самого тела, испытывающего ускорения. Иначе говоря, ускорение –
величина абсолютная и может рассматриваться относительно абсолютного
пространства, а не относительно других тел. (Ньютон аргументировал это
положение примером с вращающимся ведром, в котором налита вода. Этот опыт
показывал, что относительное движение воды по отношению к ведру не вызывает
центробежных сил и можно говорить о его вращении самом по себе,
безотносительно к другим телам, т.е. остается лишь отношение к абсолютному
пространству.) Этот вывод и оспаривал Мах.
С точки зрения Маха всякое движение относительно пространства не имеет
никакого смысла. О движении, по Маху, можно говорить только по отношению к
телам. Поэтому все величины, определяющие состояние движения, являются
относительными. Значит, и ускорение – также чисто относительная величина. К
тому же опыт никогда не может дать сведений об абсолютном пространстве. Он
обвинил Ньютона в отступлении от принципа, согласно которому в теорию
должны вводиться только те величины, которые непосредственно выводятся из
опыта.
Однако, несмотря на идеалистический подход к проблеме относительности
движения, в соображениях Маха были некоторые интересные идеи, которые,
способствовали появлению общей теории относительности. Речь идет о т.н.
“принципе Маха”. Мах выдвинул идею, согласно которой инерциальные силы
следует рассматривать как действие общей массы Вселенной. Этот принцип
впоследствии оказал значительное влияние на А. Эйнштейна. Рациональное
зерно “принципа Маха” состояло в том, что свойства пространства-времени
обусловлены гравитирующей материей. Но Мах не знал, в какой конкретной
форме выражается эта обусловленность.
К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков и
результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий.
Так, английский математик Клиффорд в 70-х годах высказал идею, что многие
физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области
пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что
кривизна пространства может изменяться со временем. Клиффорда принадлежит к
числу немногочисленных в ХIХ веке провозвестников эйнштейновской теории
гравитации.
Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий,
которые непосредственно привели к научной революции на рубеже ХIХ-ХХ веков.
Важнейшие из них: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и
установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности,
фотоэффекта и его законов и др.
В 1895 г. Вильгельм Рентген (1845 – 1923) открыл необычные лучи,
которые впоследствии получили название рентгеновских. Открытие этих лучей
заинтересовало физиков и буквально сразу вызвало чрезвычайно широкую
дискуссию о природе этих лучей. В течение короткого времени были выяснены
необычные свойства этих лучей: способность проходить через
светонепроницаемые тела, ионизировать газы и др. Но природа самих лучей
оставалась неясной. Рентген высказал гипотезу о том, что лучи представляют
собой продольные электромагнитные волны. Существовала гипотеза о
корпускулярной природе этих лучей. Однако все попытки обнаружить волновые
свойства лучей Рентгена, например, наблюдать их дифракцию, долгое время
были безуспешными. (Только в 1925 г. немецкому физику Лауэ удалось
обнаружить дифракцию рентгеновских лучей от кристаллической решетки).
Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям
электропроводности газов и изучению катодных лучей.
Важнейшим открытием в физике конца XIX в. было открытие
радиоактивности, которое помимо своего общего принципиального значения
сыграло важную роль в развитии представлений об электроне. Все началось в
1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение
фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с
кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность.
Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято
Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают
частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые
положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой
быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой
скоростью электронами.
Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934), занявшись исследованием нового
явления, пришла к выводу, что в урановых рудах присутствуют вещества,
обладающие также свойством излучения, названного ею радиоактивным. В
результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри (1859 – 1906), удалось
выделить из урановых руд новый элемент (1898), который обладал
радиоактивностью гораздо большей, чем уран. Этот элемент был назван радием.
Исследованием вновь открытых явлений занялись многие физики. Нужно
было определить природу радиоактивных лучей, а также, какое влияние на
радиоактивность оказывают физические условия, в которых находятся
радиоактивные вещества, и т. д. Все эти вопросы начали проясняться в
результате последующих исследований. В связи с изучением радиоактивных
явлений перед физиками встало два главных вопроса.
Во-первых, это вопрос о природе радиоактивного излучения. Уже через
короткое время после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное
излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название
a -, b - и g -лучей. При этом оказалось, что a - и b -лучи являются
потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц.
Природа g - излучения была выяснена позже, хотя довольно рано высказывалось
мнение, что оно представляет собой электромагнитное излучение.
Второй вопрос, возникший в связи с исследованием радиоактивного
излучения, был более трудным и заключался в определении источника энергии,
которую несут эти лучи. Что это за энергия, находящаяся внутри атома,
которая освобождается при его распаде и выделяе
| |  скачать работу |
Современная естестественно-научная картина мира |
