Криза у фізиці на рубежі століть

Друга половина XIX ст. характеризується швидким розвитком усіх склалися раніше і виникненням нових розділів фізики. Однак особливо швидко розвиваються теорія теплоти і електродинаміка. Теорія теплоти розвивається за двома напрямками. По-перше, це розвиток термодинаміки, безпосередньо пов'язаної з теплотехніків. По-друге, розвиток кінетичної теорії газів і теплоти, що призвело до виникнення нового розділу фізики -- статистичної фізики. Що стосується електродинаміки, то тут найважливішими подіями були: створення теорії електромагнітного поля і виникнення нового розділу фізики - теорії електронів.

Найбільшим досягнення фізики другої половини ХIХ століття є створення теорії електромагнітного поля. До середини XIX ст. в тих галузях фізики, де вивчалися електричні та магнітні явища, був накопичений багатий емпіричний матеріал, сформульовано цілий ряд важливих закономірностей. Так, були відкриті найважливіші закони: закон Кулона, закон Ампера, закон електромагнітної індукції, закони постійного струму та ін Складніше була справа з теоретичними уявленнями. Будувалася фізика теоретичні схеми грунтувалися на уявленнях про дальнодії корпускулярної природі електрики. Повного теоретичного єдності в поглядах фізиків на електричні та магнітні явища не було. Однак до середини XIX ст. потреба в якісному вдосконаленні теоретичного базису вчень про про електричних і магнітних процесах стала цілком очевидною. З'являються окремі спроби створення єдиної теорії електричних і магнітних явищ. Одна з них виявилася успішною. Це була теорія Максвелла, яка справила справжній революційний переворот у фізиці.

Максвелл і поставив перед собою завдання перевести ідеї та погляди Фарадея на строгий математичний мова, або, кажучи іншими словами, інтерпретувати відомі закони електричних і магнітних явищ з точки зору поглядів Фарадея. Будучи блискучим теоретиком і віртуозно володіючи математичним апаратом, Дж. К. Максвелл впорався з цим складним завданням. Результатом його праць виявилося побудова теорії електромагнітного поля, яка була викладена в роботі "Динамічна теорія електромагнітного поля", опублікованій в 1864 р.

Ця теорія істотно змінювала уявлення про картину електричних і магнітних явищ. Вона їх об'єднувала в єдине ціле. Основні положення і висновки цієї теорії наступні.

Електромагнітне поле - реально й існує незалежно від того, є провідники та магнітні полюси, які виявляють його, чи ні. Максвелл визначав це поле таким чином: "... електромагнітне поле - це та частина простору, яка містить в собі, і оточує тіла, що знаходяться в електричному або магнітному стані "(Максвелл Дж. К. Вибрані твори з теорії електромагнітного поля.

Зміна електричного поля веде до появи магнітного поля, і навпаки.

Вектори напруг електричного і магнітного полів - перпендикулярні. Це і пояснював, чому електромагнітна хвиля виключно поперечна.

Теорія електромагнітного поля виходила з того, що передача енергії відбувається з кінцевою швидкістю. І таким чином вона обгрунтовувала принцип блізкодействія.

Швидкість передачі електромагнітних коливань дорівнює швидкості світла (с). З цього йшла принципова тотожність електромагнітних та оптичних явищ. Виявилося, що відмінності між ними тільки в частоті коливань електромагнітного поля.І з цього часу теорія Максвелла отримує визнання переважної більшості вчених.

У другій половині ХIХ століття робляться спроби надати поняття абсолютного простору й абсолютної системи відліку новий науковий зміст, очистивши їх від того метафізичного сенсу, який був наданий їм Ньютоном. У 1870 р. К. Нейман ввів поняття a-тіла, як такого тіла у Всесвіті, що є нерухомим і яку можна вважати за початок абсолютної системи відліку. Деякі фізики пропонували прийняти за a -тіло таке тіло, яке збігається з центром тяжіння всіх тіл у всьому Всесвіті, вважаючи, що цей центр ваги можна вважати що знаходяться в абсолютному спокої.

Комплекс питань про абсолютну просторі і абсолютному русі набув нового змісту у зв'язку з розвитком електронної теорії і виникненням гіпотези про електромагнітної природі матерії. Згідно з електронної теорії існує нерухомий всюди ефір і рухаються в ньому заряди. Нерухомий ефір заповнює весь простір і з ним можна зв'язати систему відліку, яка є інерціальній і, більше того, що виділена з усіх інерційних систем відліку. Рух щодо ефіру можна розглядати як абсолютне. Таким чином, на зміну абсолютного простору Ньютона прийшов нерухомий ефір, який можна розглядати як свого роду абсолютну і до того ж інерційну систему відліку.

Однак така точка зору вже з самого початку відчувала принципові труднощі. Про абсолютному русі тіла, тобто русі щодо ефіру, можна говорити і уявити, але визначити цей рух неможливо. Цілий ряд дослідів (Майкельсона і інші), поставлені з метою виявлення такого руху, дали негативні результати. Таким чином, хоча абсолютна система відліку і була, як здавалося, знайдено, тим не менш вона, як і абсолютний простір Ньютона, виявилася неспостережний. Лоренц для пояснення результатів, отриманих у цих дослідах, змушений був ввести спеціальні гіпотези, з яких випливало, що, незважаючи на існування ефіру, рух щодо нього визначити неможливо.

Однак всупереч таким думкам все частіше і частіше висловлювалися міркування про те, що саме поняття абсолютного прямолінійного і рівномірного руху як руху щодо якогось абсолютного простору позбавлене будь-якого наукового змісту. Разом з цим позбавляється змісту і поняття абсолютної системи відліку і вводиться більш загальне поняття інерціальній системи відліку, не пов'язане з поняттям абсолютного простору. У результаті поняття абсолютної системи координат стає беззмістовним. Інакше кажучи, всі системи, пов'язані з вільними тілами, що не перебувають під впливом будь-яких інших тіл, рівноправні.

У 1886 р. Л. Ланге, проводячи історичний аналіз розвитку механіки, і стверджуючи беззмістовність поняття абсолютного простору, запропонував визначення інерційній системі координат: інерціальні системи - це системи, які рухаються прямолінійно і рівномірно один по відношенню до одного. Перехід від однієї інерціальній системи до іншої здійснюється у відповідності з перетвореннями Галілея.

Перетворення Галілея протягом століть вважалися само собою зрозумілі і не потребують ні в якому обгрунтуванні. Але час показав, що це далеко не так.

Наприкінці XIX ст. з різкою критикою ньютонівського уявлення про абсолютну просторі виступив німецький фізик, позитивіст Е. Мах. В основі уявлень Маха як фізика лежало переконання в тому, що "рух може бути рівномірним щодо іншого руху. Питання, рівномірно чи рух сам по собі, не має ніякого сенсу ". (Мах Е. Механіка. Історико-критичний нарис її розвитку. СПб, 1909, С.187 У зв'язку з цим Мах розглядав системи Птолемея і Коперника як рівноправні, вважаючи останню більш кращою з-за простоти.) Це подання він переносить не тільки на швидкість, але і на прискорення. У ньютонівської механіці прискорення (на відміну від швидкості) розглядалося як абсолютна величина. Відповідно до класичної механіки, для того щоб судити про прискорення, достатньо самого тіла, що зазнає прискорення. Інакше кажучи, прискорення - величина абсолютна і може розглядатися щодо абсолютного простору, а не відносно інших тіл. (Ньютон аргументував це положення прикладом з обертається відром, в якому налита вода. Цей досвід показував, що відносний рух води по відношенню до відра не викликає відцентрових сил і можна говорити про його обертанні самому по собі, безвідносно до інших тіл, тобто залишається лише ставлення до абсолютного простору.) Цей висновок і оскаржував Мах.

З погляду Маха всякий рух щодо простору не має ніякого сенсу. Про рух, по Маху, можна говорити тільки по відношенню до тіл. Тому всі величини, що визначають стан руху, є відносними. Значить, і прискорення - також чисто відносна величина. До того ж досвід ніколи не може дати відомостей про абсолютну просторі. Він звинуватив Ньютона у відступі від принципу, згідно з якому в теорію повинні вводитися тільки ті величини, які безпосередньо виводяться з досвіду.

Однак, незважаючи на ідеалістичний підхід до проблеми відносності руху, в міркуваннях Маха були деякі цікаві ідеї, які, сприяли появі загальної теорії відносності. Мова йде про т.зв. "Принципі Маха". Мах висунув ідею, згідно з якою інерціальні сили слід розглядати як дію загальної маси Всесвіту. Цей принцип згодом зробив значний вплив на А. Ейнштейна. Раціональне зерно "принципу Маха" полягало в тому, що властивості простору-часу обумовлені гравитирующих матерією. Але Мах НЕ знав, в якій конкретній формі виражається ця обумовленість.

До нових ідей про природу простору і часу підштовхували фізиків і результати математичних досліджень, відкриття неевклідових геометрій. Так, англійський математик Кліффорд в 70-х роках висловив ідею, що багато фізичні закони можуть бути пояснені тим, що окремі області простору підкоряються неевклідової геометрії. Більше того, він вважав, що кривизна простору може змінюватися з часом. Кліффорда належить до числа нечисленних в ХIХ столітті провісників ейнштейнівської теорії гравітації.

Кінець XIX ст. в історії фізики відзначено рядом принципових відкриттів, які безпосередньо призвели до Найважливіші з них: відкриття рентгенівських променів, відкриття електрона і встановлення залежності від його маси швидкості, відкриття радіоактивності, фотоефекту і його законів і ін

У 1895 р. Вільгельм Рентген (1845 - 1923) відкрив незвичайні промені, які згодом отримали назву рентгенівських. Відкриття цих променів зацікавило фізиків і буквально відразу викликало надзвичайно широку дискусію про природу цих променів. Протягом короткого часу були з'ясовані незвичайні властивості цих променів: здатність проходити через світлонепроникні тіла, іонізувати гази та ін Але природа самих променів залишалася неясною. Рентген висловив гіпотезу про те, що промені являють собою поздовжні електромагнітні хвилі. Існувала гіпотеза про корпускулярну природу цих променів. Однак всі спроби виявити хвильові властивості променів Рентгена, наприклад спостерігати їх дифракцію, довгий час були безуспішними. (Тільки в 1925 р. німецькому фізику Лауе вдалося виявити дифракцію рентгенівських променів від кристалічної решітки)