Третьей естественнонаучная революция начинается с открытий ампера, эрстеда и майкла фарадея.

Датский физик Эрстед (1777–1851 гг.) и французский физик Ампер (1775–1836 гг.) продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер по существу стал творцом новой науки – электродинамики. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому единица силы тока носит его имя – ампер. С помощью своего учения о круговых токах, он сводит магнетизм к электричеству! Это великое открытие!

Ампер формулирует до сих пор не известный закон о взаимодействии токов. Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов.

Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 года, когда вышел в свет его обобщающий труд «Теория электродинамических явлений, выведенная из опыта». В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов. Это один из основополагающих законов электродинамики.

Эстафета, принятая Ампером от Эрстеда, была передана в руки великого английского естествоиспытателя Майкла Фарадея (1791–1867 гг.). Он открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита.

Исследуя диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях. Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль как и сам магнит.

Теория Максвелла.

В 60-х годах ХIХ в. английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879 гг.) развил теорию Фарадея и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления.

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т.е. силы неэлектростатического происхождения. Возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт показывает, что такие сторонние силы не связаны не с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрического поля, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым. Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого воздействия между разделенными пространством массами. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой – напряженностью поля в этой точке.

Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. На этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что должны существовать так называемые электромагнитные волны, причем скорость их распространения равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн. Основной работой Максвелла, заключавшей в себя математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 году.

Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона.

Контрольные вопросы

Кто является создателем электродинамики?

Кто сформулировал закон о взаимодействии токов?

Открытием какого явления обессмертил своё имя Фарадей?

Какие важные выводы следуют из теории электромагнитного поля Максвелла?

Кем впервые был сделан вывод, что свет – разновидность электромагнитных волн?

Глава II. Современная физическая картина мира.

Возникновение и развитие квантовой физики.

Гипотеза квантов.

Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает энергию независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в ХIХ в. привело к тому, что при излучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.

Г. Кирхгоф в 1860г. сформулировал новый закон, который гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Другими словами, если ЕλТ и АλТ – соответственно испускательная и поглощательная способности тела, зависящих от длины волны и температуры Т, то

где ω - некоторая универсальная функция λ и Т, одинаковая для всех тел.

Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Для такого тела, очевидно, АλТ=1; тогда универсальная функция ω равна испускательной способности абсолютно черного тела. Сам Кирхгоф не определил вид функции ω, а лишь отметил некоторые ее свойства.

При определении вида универсальной функции ω естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. А. Больцман показал, что полная энергия изменения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.

В 80-е гг. ХIХ в. эмпирические исследования закономерностей распределения спектральных линий и изучение функции ω стали более интенсивными и систематическими. Была усовершенствована экспериментальная аппаратура. (В. Вином в 1896г. и Дж. Рэлей и Дж. Джинсом в 1900 г. – предложены две различные формулы, для длинных и коротких волн, однако общие закономерности так и не были выявлены).

В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества Макс Планк (1858–1947 гг.) предложил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Эта формула давала полное соответствие с опытом, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями – квантами (Е). Более того, Е не является любой величиной, а именно, Е=hν, где h – определенная константа, ν – частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.

Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснять с позиций классической физики. В 1912 г. А. Пуанкаре окончательно доказал несовместимость формулы Планка и классической механики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже – вместе с созданием квантовой механики.

Контрольные вопросы

Сформулируйте закон Кирхгофа.

Какое тело называется «абсолютно чёрным»?

Кем впервые сформулирована гипотеза квантов?

Кого и почему называют основоположником теоретической квантовой физики?

Какое понятие в развитии квантовой гипотезы было использовано А. Эйнштейном для объяснения явления фотоэффекта?

Кто и когда первым показал, что свет обладает одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами?