Краткая хронография научных достижений XVII-XIX вв.

— Г. Галилей при помощи зрительной трубы открыл четыре спутника Юпитера.

— издана «Диоптрика» И. Кеплера, в которой изложена оптическая теория зрительной трубы.

— вышел в свет трактат И. Кеплера «Гармония мира», в котором содержится третий закон движения планет.

— В. Снеллиус экспериментально открыл закон преломления света.

— опубликован «Диалог о двух основных системах мира — птолемеевой и коперниковой» Г. Галилея.

— вышел в свет труд Р. Декарта «Диоптрика», где излагается идея эфира как переносчика света, дается теоретическое доказательство закона преломления, которое было высказано Декартом еще в 1630 г.

— изобретение способа получения вакуума и создание первого барометра (Эванджелиста Торричелли).

— опубликована «Селенография или описание Луны» Яна Гевелия, в которой представлены точные детальные и художественно выполненные карты Луны.

— Роберт Бойль в труде «Химик-скептик» сформулировал понятие химического элемента как простейшей составной части тела.

— Р. Бойль открыл зависимость давления газа от объема, Независимо от Бойля этот же закон установил Эдм Мариотт в 1676 г. (закон Бойля – Мариотта)

— Иоганн Бехер выдвинул гипотезу флогистона.

— Роберт Гук в трактате «О движении Земли» высказал идею тяготения и представил свою систему мироздания.

— И. Ньютон выдвинул корпускулярную гипотезу света.

— Олаф Рёмер на основании наблюдений спутников Юпитера сделал вывод о конечности скорости распространения света и определил ее величину

— опубликован труд И. Ньютона «Математические начала натуральной философии».

— вышел в свет «Трактат о свете» Х. Гюйгенса (завершен в 1678 г.), в котором помещены волновая теория света, принцип построения огибающей волны (принцип Гюйгенса) и описано открытое им явление поляризации света.

— Б. Франклин сформулировал теорию электричества и закон сохранения электрического заряда.

— разработка И. Кантом гипотезы происхождения солнечной системы.

— открытие М.В. Ломоносовым закона сохранения массы вещества в химических реакциях. Этот же закон в 1774 г. установил А. Лавуазье.

— А. Лавуазье разработал основные положения кислородной теории, доказал сложный характер воздуха, объяснил горение, показал, что при дыхании поглощается кислород и образуется углекислый газ.

— открытие Ш. Кулоном основного закона электрического взаимодействия (закон Кулона).

— вышел в свет труд П. Лапласа «Изложение системы мира», в котором содержится его космогоническая гипотеза образования солнечной системы.

— разработка А. Авогадро молекулярной гипотезы строения вещества и установление закона, названного его именем (закон Авогадро).

— А. Ампер открыл взаимодействие электрических токов и установил закон этого взаимодействия (закон Ампера).

— создание Н. И. Лобачевским новой геометрии, отличной от евклидовой (геометрия Лобачевского).

— открытие Р. Броуном хаотического движения мелких частиц, взвешенных в растворе (броуновское движение).

— К. Гаусс сформулировал основную теорему электростатики.

— открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции.

1860–1865

— Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла).

Лекция 11

Научная революция на рубеже XIX–XX вв.

Опыт Майкельсона

Главным аргументом противников волновой теории света Христиана Гюйгенца, согласно которой световые эффекты объясняются колебаниями некой оптически упругой среды, в XVII–XIX веках являлась невозможность эмпирического обнаружения светоносного эфира^[61] — той самой невидимой среды, в которой распространяется свет. Важную роль в прояснении этого вопроса сыграло опубликованное в 1818 г. в «Анналах химии и физики» письмо Огюстена Френеля, в котором основании волновой теории обсуждался на вопрос о влиянии движения Земли на распространение света в преломляющей среде. Френель полагал, что «скорость, с которой распространяется волна, не зависит от движения тела, которое ее испускает», а «эфир свободно проходит через земной шар и что скорость, сообщенная этой тонкой жидкости, представляет собой только небольшую часть скорости Земли и не превышает, например, одной сотой доли этой скорости».^[62] Эта гипотеза частичного увлечения эфира помогла Френелю объяснить, почему видимая рефракция не изменяется с изменением направления световых лучей по отношению к движению Земли. Предположения Френеля согласовывались с результатами опытов Армана Физо (1851) и Джорджа Эйри (1871), и были подтверждены серией экспериментов, проведенных А. Майкельсоном.

Альберт Майкельсон приобрел известность в научном сообществе благодаря усовершенствованию им метода измерения скорости света при помощи вращающегося зеркала, предложенного Леоном Фуко. В 1881 году Майкельсон построил в Берлине первую модель своего знаменитого интерферометра и произвел его испытание в лаборатории Гельмгольца, однако нормальной работе чувствительного прибора мешали вибрации, вызываемые движением транспорта по улицам города. Разобрав установку, Майкельсон перевез ее в Потсдам, где ее вновь смонтировали на прочном кирпичном фундаменте большого телескопа. Результаты экспериментов были опубликованы в статье «Относительное движение Земли и светоносного эфира». Движения Земли относительно эфира не наблюдалось.

Вернувшись в Америку, Майкольсон повторил свой эксперимент в сотрудничестве с Эдвардом Морли. Интерферометр был смонтирован на каменной плите толщиной 30 см. Плита плавала в ртути на кольцеобразной деревянной подставке. На ней было установлено четыре зеркала, так что общий оптический путь интерферирующих пучков в результате многократного отражения увеличивался до 11 м (почти в 10 раз больше, чем в первом опыте). Опыты были закончены в июле 1887 г. Результат оказался также отрицательным, ожидаемого смещения почти не наблюдалось, что противоречило всем сложившимся к тому времени теориям, распространения света.

Опыт Майкельсона является эмпирическим подтверждением одного из постулатов общей и специальной теории относительности — принципа инвариантности скорости света.^[63]

Открытие естественной радиоактивности

В январе 1896 г. на заседании Парижской Академии, Анри Пуанкаре сделал сообщение об открытии новых (рентгеновских) лучей, и высказал предположение о том, что рентгеновское излучение связано с флюоресценцией. Эта гипотеза весьма заинтересовала присутствовавшего на этом заседании Анри Беккереля, поскольку его отец и дед в свое время занимались теорией флюоресценцией.

В своих опытах Беккерель решил использовать соединения урана из коллекции минералов своего отца. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку необычной формы, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявления пластинки на ней было отчетливо виден образ металлической фигуры. Повторные опыты Беккереля дали аналогичный результат, и в феврале 1896 г. он доложил Академии о результатах опытов. Гипотеза Пуанкаре полностью подтверждалась, но Беккерель решил провести серию контрольных экспериментов. Он приготовил новую пластинку, но по причине пасмурной погоды опыты пришлось отложить. Затем Беккерель решил проявить пластинки, пролежавшие несколько дней в темном шкафу, и обнаружил четкие силуэты образцов минералов, лежавших на непрозрачных защитных экранах пластинок, из чего следовало, что соединения урана без предварительной экспозиции испускают невидимые лучи, действовавшие на фотопластинку через непрозрачный экран. Так, в силу случайных обстоятельств, состоялось открытие естественной радиоактивности, которое привело к пересмотру классических представлений о структуре микромира.

В том же году было сделано другое важное открытие. В лаборатории Кавендиша в Кембридже Джозеф Джон Томсон доказал корпускулярную природу так называемых «катодных лучей». Эти мельчайшие частицы вещества Томсон называл корпускулами, однако в научном лексиконе они стали именоваться электронами.^[64] Было очевидно, что электроны являются составными частями атомов всех веществ. Томсон построил электромагнитную модель атома, предположив, что отрицательно заряженные корпускулы (электроны) располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы^[65]

Сообщение Беккереля об ионизирующей способности урановых лучей появилось почти одновременно с публикацией результатов опытов Д. Томсона и Э. Резерфорда, об аналогичном свойстве рентгеновских лучей, что позволяло предположить общую природу этих явлений.

Квантовая теория

Изучение рентгеновских лучей и радиоактивности, а также открытие первой элементарной частицы — электрона, открыли новые перспективы изучения атомарных структур. В 1899 г. Эрнест Резерфорд опубликовал результаты новых опытов с радиоактивными веществами, которые свидетельствовали о том, что излучение урана и тория состоит из нескольких пупков частиц с различными свойствами (α-, β- γ- лучи). Это указывало на сложный характер радиоактивного излучения. Уже в следующем, 1900 году, изучая эффекты теплового излучения, Макс Планк открыл его дискретные (и, следовательно, корпускулярные) свойства.

«Тепловое излучение знакомо людям с незапамятных времен. Греясь на солнце или у огня, человек наслаждался теплом, испускаемым солнечными лучами или лучами очага. Но вот на вопрос, почему натопленная печь греет, оказалось не так-то легко ответить. Существование «тепловых лучей» предположил в XVIII в. химик Шееле (1742—1786), но опыты с тепловыми лучами проводили еще флорентийские академики, доказавшие, что «холод» от глыбы льда охлаждает шарик термоскопа, помещенного в фокусе вогнутого зеркала. Опыты с отражением тепловых лучей вогнутыми зеркалами («зеркала Пикте») проводил в XVIII в. Пикте (1752-1825), а Прево (1751—1839) в 1791 г. установил закон подвижного теплового равновесия. В. Гершель открыл невидимые «тепловые лучи» за красной частью видимого спектра».^[66]

В1859 г. Густав Кирхгоф открыл закон теплового излучения (ныне носящий его имя) «абсолютно черного тела». Спустя двадцать лет Жозеф Стефан (1835-1893) на основании количественных измерений сделал вывод, что суммарная энергия всех длин волн, излучаемых черным телом, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела, причем коэффициент пропорциональности является универсальной константой.

В 1884 г., ученик Стефана Людвиг Больцман, применив к излучению принципы термодинамики и исходя из гипотезы существования «светового давления» вывел закон Стефана теоретическими методами, показав, тем самым, возможность объединения принципов термодинамики и электромагнитной теории света.

Макс Планк рассматривал модель черного тела, представлявшую собой совокупность электромагнитных осцилляторов, каждый из которых излучал или поглощал электромагнитную энергию определенной частоты. Исходя из гипотезы «естественного излучения», Планк привел эту систему в соответствие с необратимостью термодинамических процессов, несмотря на то, что излучение описывается обратимыми уравнениями электродинамики. В мае1899 г. Планку удалось найти соотношение между объемной плотностью излучения и средней энергией осциллятора, которое стало основой квантовой теории.

Дальнейшее развитие квантовой теории связано с ее расширенной интерпретацией Альбертом Эйнштейном статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» (1905 г). А. Эйнштейн первым обратил внимание антиномичность представлений о структуре материи и структуре света:

«Согласно теории Максвелла, во всех электромагнитных, а значит, и световых явлениях энергию следует считать величиной, непрерывно распределенной в пространстве, тогда как энергия весомого тела, по современным физическим представлениям, складывается из энергий атомов и электронов. Энергия весомого тела не может быть раздроблена на сколь угодно большое число произвольно малых частей, тогда как энергия пучка света, испущенного точечным источником, по максвелловской (или вообще по любой волновой) теории света, непрерывно распределяется по все возрастающему объему».^[67]

Эйнштейн полагал, что построение теории света, оперирующей непрерывными пространственными функциями, войдет в противоречие с опытом, когда ее будут применять к явлениям возникновения и превращения света, явления «черного излучения», фотолюминесценции, фотоэффекта и другие, связанные с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно

Подтверждение принципа инвариантности скорости света, исследования естественной радиоактивности и рентгеновского излучения, квантовая теория теплового и электромагнитного излучения — эти открытия на рубеже XIX–XX века привели к научной революции, радикально изменившей классические представления о порядке мироустройства. Атомы оказались делимыми на части, масса тел — изменчивой, пространство и время — относительными, в процессах, прежде считавшихся непрерывными, была обнаружена дискретность.

Лекция 12