Становлення фізики : класичний, некласичний та постнекласичний етапи.

1. Період класичної фізики

У 1687 вийшла у світ основоположна праця І. Ньютона «Математичні початки натуральної філософії», яка містить основні поняття й аксіоматику механіки, зокрема представлення про абсолютність простору і абсолютність часу, поняття стану, маси, закон пропорційності сили прискорення і закон всесвітнього тяжіння. Виходячи з останнього закону, Ньютон пояснив рух небесних тіл, в результаті чого став можливий перехід від кінематичного опису сонячної системи до динамічного. Це остаточно затвердило перемогу вчення Коперника.

В «Початках» також була об’єднана  земна механіка з небесною. Склалося враження, що закони механіки управляють всіма процесами в природі. «Таким чином, Ньютон заклав основи тієї сукупності законів природи, яка дає можливість зрозуміти закони всіх явищ, - писав А. Ейнштейн. - Ньютон вважав, що цього можна досягти за рахунок відомості будь-яких процесів до рухів частинок, які взаємодіють між собою »| 7, с. 90].

Ньютон побудував першу фізичну картину світу (механічну картину) з абсолютним часом і простором і концепцією далекодії, яка тривалий час панувала в науці. «... Ньютон був першим, кому вдалося знайти ясно сформульовану основу, з якої за допомогою математичного мислення можна було логічно прийти до кількісного  узгодження з досвідом опису широкої області явищ», - зазначав А. Ейнштейн [7, с. 78]. Побудований Ньютоном фундамент фізики виявився виключно плідним і до кінця XIX ст. вважався непорушним. Ось чому рік виходу в світ «Початків» можна вважати етапним і прийняти за початок нового періоду в історії фізики - періоду класичної фізики, що тривав два століття, поки під тиском нових фактів приведених Ньютоном і його послідовниками велична і грандіозна система не почала валитися.

«Перший привід до перегляду або зміні фізичної теорії майже завжди викликається встановленням одного або декількох фактів, які не вкладаються в рамки і колишній теорії, - зазначав М. Планк. - Факт є тією Архімедовою точкою опори, за допомогою якої зрушуються з місця навіть найбільш солідні теорії »[6, с. 73]. Кінець XIX і початок XX ст, надали в розпорядження фізиків такі факти, які призвели до революції у фізиці. Але до цього на протязі двох століть багато поколінь вчених вважали, що суть фізичних явищ зводиться до механічного руху, що механіка Ньютона є ключем до розуміння всього, що відбувається навколо.

Перший відчутний удар по вченню Ньютона завдала теорія електромагнітного поля Максвелла, подальший розвиток яких поглибило її протиріччя з класичною механікою і врешті-решт призвело до перегляду основних положень фізики. Це була другою після ньютонівської фундаментальна фізична теорія. Тому в періоді класичної фізики доцільно виділити ряд етапів.

Перший  етап проходить під знаком повного панування механіки Ньютона, його механічна картина світу здійснюється і уточнюється, в ній виявляються нові специфічні риси. Бурхливо розвиваються всі галузі фізики. Цей етап у часі безпосередньо збігається з твердженням в Західній Європі нових капіталістичних відносин і їх розвитком, який привів у другій половині XVIII-початку XIX ст. до технічної і промислової революцій.

Значної досконалості і стрункості досягла механіка в працях Ж. Даламбера, Л. Ейлера, Ж. Лагранжа і П. Лапласа. Так, Лагранж, ввівши в 1700 році узагальнені координати, надав рівнянням руху таку форму, яка зробила можливим їх застосування і до не механічних процесів, зокрема до електромагнітних. Лаплас, розвинувши методи небесної механіки, зробив все те, що не вдалося зробити його попередникам в дослідженні руху небесних тіл, а його космогонічна гіпотеза виникнення сонячної системи (1796р) мала не тільки велике наукове значення, але і філософське звучання. Тріумфом механіки Ньютона було відкриття (1846) Нептуна, засноване на теоретичних обчисленнях У. Левер'є (1846), після чого віра і механічний опис стала загальною . Хід розвитку класичної механіки демонстрував справедливість єдиного закону природи - закону гравітації - як на Землі, так і у Всесвіті.

Було відкрито ряд законів  збереження: матерії і руху

(М. I.Ломоносов, 1748), електричного заряду (В. Франклін,

1750), енергії (Ю. Майєр, 1842; Дж. Джоуль, 1843; Г. Гельмгольц, 1847). Причому, Гельмгольц поширив закон збереження енергії з механічних і теплових процесів на інші області явищ - електричні, магнітні, оптичні. Саме в цьому законі знайшло своє відображення єдність різних фізичних процесів. Фізику стали представляти єдиною цільною наукою.

Почали розроблятися методи термометрії і термометричні шкали (А. Цельсій, Р. Реомюр, Г. Фаренгейт). Розвиток хімії та металургії стимулювало вивчення теплових явищ. Дж. Блек показав розходження між температурою і кількістю теплоти і відкрив (1702) приховану

теплоту плавлення. Було введено поняття теплоємності (І. Вільке) та виміряні теплоємності багатьох тіл (П. Лаплас, А. Лавуазьє). Це призвело до створення калориметрії.

Дослідження в області  теплоти і газів сприяли виникненню та удосконаленню теплових двигунів. У 1784 Дж. Уатт побудував універсальний паровий двигун, економічно ефективний, який отримав широке застосування і зіграв значну роль в переході до капіталістичного машинного виробництва.

У XVII в. велику увагу почали приділяти наочним моделям і аналогіям, зокрема гідродинамічним. Так, теплоту представляли у вигляді особливої ​​невагомою рідини - теплорода, перетвореннями якого пояснювали теплові явища. Аналогічно за допомогою електричних і магнітних рідин пояснювали відповідно електричні й магнітні явища. У XVIII в. моделі невагомої рідини проникли в усі розділи фізики. В їх існуванні не сумнівалося більшість вчених. При цьому вважали, що кожне фізичне явище має свого носія, свою субстанцію. Це було пов'язано і з тим, що різні фізичні явища розглядали як незалежні, не пов’язані один з одним. Лише деякі вчені (Л. Ейлер, М. В. Ломоносов і ін) заперечували наявність невагомих матерій. Тільки в 1-й половині XIX в. концепція невагомих матерій потерпіла повну поразку завдяки успіхам хвильової теорії та відкриття закону збереження енергії.

Характеризуючи цей період, І. Є. Тамм писав: «До кінця XVIII - початку XIX ст. область відомих фізичних явищ значно розширилася, однак явища ці вивчалися поза зв'язку один з одним і для пояснення кожної групи явищ вдавалися до гіпотези особливого «флюїду» (субстанції) - електриний флюїд, магнітний флюїд, теплород, нарешті, світлові частинки, введені для пояснення світлових явищ. У вигляді реакції проти цього достатку різнотипних сил і різнорідних флюїдів і виникла ідея про єдність сил природи. ... Вінцем цього періоду розвитку фізики, що характеризувалася ідеєю єдності сил природи, було встановлення закону збереження енергії ... »[6, с. 317-318].

Було встановлено ряд  газових законів: закон Шарля (1787), Гей-Люссака (1802), сформульовано рівняння стану идеального газу (Б. Клапейрон, 1834), дослідами Б. Румфорда (1798) і Г. Деві (1700) підтверджена механічна теорія теплоти, викладена в роботах Д. Бернуллі, Л. Ейлера і М. В. Ломоносова. У 50-х рр.. XIX в. були закладені основи кінетичної теорії газів (Дж. Джоуль, Р. Клаузіус, Дж. Максвелл) і термодинаміки (Р. Клаузіус, У. Рапкін, У. Томсон; початок термодиннамік поклав Н. Карно, 1824) . Велике значення для фізики мали також введення Дж. Дальтон поняття атомної ваги і розвиток ним атомістичні уявлень (1803), а також розробка А. Авогадро молекулярної гіпотези (1811). У результаті була відроджена ідея атомізму давньогрецьких мислителів.

У XVIII в. були закладені основи фотометрії (П. Бугер, І. Ламберт), побудовані дифракційна решітка (Д. Ріттенгаус, 1786), що одержала широке поширення в 20-х рр.. XIX в., І ахроматичний об'єктив (Дж. Доллонд, 1757).

На початок XIX в. роботами Т. Юнга та О. Френеля було завершене створення хвильової оптики, на основі якої пояснені багато оптичних явищ, зокрема передбачена поперечність світлових хвиль (Т. Юнг, 1817; О.Френель, 1819), встановлені закони відбиття і заломлення на плоскій нерухомій поверхні розділу двох середовищ (О.Френель, 1823). У 1834 У. Гамільтон, виходячи з відкритої ним аналогії між геометричною оптикою і класичною механікою, розробив формалізовану теорію оптичних явищ, величезне значення якої виявилося при створенні квантової механіки. У 1800 У. Гершель відкрив інфрачервоні промені, а в 1801 У.Волластон і І. Ріттер - ультрафіолетовие. У 1845 М. Фарадеєм виявлено магнітне обертання площини поляризації світла (ефект Фарадея), ніж вперше зазначено на зв'язок між світлом і електромагнетизмом. З вимірів швидкості світла в воді (Л. Фуко, 1850) остаточно підтвердило хвильову теорію світла.

У 1818 О.Френель поклав початок оптиці рухомих тіл, а в 1851 А. Фізо виявив вплив руху середовища на швидкість розповсюдження світла в ній,виміряв швидкість світла в рухомій воді і показав, що світло частково переходить в рухоме середовище( досвід Фізо).

В 1859 відкриті катодні промені (Ю. Плюккера), чому сприяв винахід 1857 Г. Гейсслера ртутного вакуумного насоса і створення в 1858 трубки (гейсслеровой). У 1859 відкрито спектральний аналіз (Р. Бунзен, Г. Кірхгоф) і встановлений основний закон теплового випромінювання (закон Кірхгофа).

Ряд фундаментальних результатів отримано в інших областях фізики. Створено основи теоретичної гідродинаміки ідеальної рідини (Д. Бернуллі, 1738; Л. Ейлер, 1755), теорії пружності (Л. Нав'є, С. Пуассон, О. Коші, 20-і рр.. XIX ст.), Експериментальної акустики (Е. Хладні, кінець XVII! ст.). На початку XIX в. був закладений фундамент фізики твердого тіла.

В області вивчення електричних явищ в XVIII в. відкрито мало, основні відкриття тут припадають лише на кінець сторіччя. У 1729 С. Грей відкрив явище електропровідності, а Ш. Дюфе встановив в 1733 існування двох родів електрики. У 1745 побудований перший електричний конденсатор - лейденська банка (Е. Клейст, П. Мушенбрук), в 1750 Б. Франкліном розроблена теорія електрики і сформульований закон збереження електричного заряду, підтверджений експериментально в 1843 М. Фарадеєм. У 1785 встановлений основний закон електричного взаємодії (Ш. Кулон), в 1786 відкритий електричний струм (Л. Гальвані), а в 1799 сконструйований перше джерело тривалого електричного струму (А. Вольта). У наступні кілька років виявлені теплове, хімічне та світлове дію струму.

З XIX в. починається бурхливий  розвиток цієї галузі фізики. Створення  сильних джерел струму - електричних  батарей (В. В. Петров, Г. Деві) дало можливість вивчити кількісні ефекти, що супроводжують струм. У 1820 X. Ерстед відкрив магнітну дію струму, поклавши початок електромагнетизму. Було установлено ряд законів електричного струму. Так, А. Ампер виявив (1820) взаємодія струмів і встановив закон цієї взаємодії (закон Ампера), що призвело до виникнення електродинаміки. Встановлені також закон Біо - Савара (1820), Ома (1826), закони електролізу (М. Фарадея, 1833), Кірхгофа (1845-1847), закон Джоуля - Ленца теплового дії струму (1841 -1842), взаємодії рухомих зарядів (В . Вебер, 1845), запропонована теорія магнетизму (Ампер, 1820), відкриті термоелектрика (Т. Зеєбека, 1821), поляризація діелектриків (М. Фарадей, 1837), пара-і діамагнетизм (Фарадей, 1845), винайдені електромагніт (У. Стерджен, 1825), гальванометр (І. Швейггера, 1820) та ін У 1831 Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, що сприяло швидкому розвитку електротехніки. Уже в 1831 був побудований перший електродвигун (С. даль Негро) і перший генератор змінного струму, який використовував принцип електромагнітної індукції (І. Пікс, 1832). Таким чином, до середини XIX ст. було накопичено чимало фактів і встановлено ряд законів електричних явищ, що дозволило донної перейти до об'єднання їх в єдину систему.

Другий  етап у розвитку класичної фізики починається з створення Дж. Максвеллом загальної стрункої теорії елекромагнітних процесів. Використавши нові ідеї, які явно не витікали з класичної механіки, він розробив в 1860 - 1865 теорію електромагнітного поля. Спроби А. Ампера, В. Вебера та Ф. Неймана створити теорію електродинамічних взаємодій на основі ньютонівської концепції далекодії приводили до електродинамічних сил, невідповідність третьому закону Ньютона. Малоуспішними були спроби ньютонівської механіки і в поясненні оптичних явищ. Наприклад, в хвильової теорії світла, яка зародилася майже одночасно з корпускулярної, носієм хвильових рухів вважали всепроникаючий ефір. Не можна було дати ясну картину ні внутрішніх сил, «керуючих» ефіром, ні сил, що діють між ним і ваговій матерією.

Найбільш чітко всі  ці недоліки виявив М. Фарадей, який завдяки фантастичній інтуїції розумів штучні відомості електромагнітних явищ до взаємодії на відстані електрично заряджених частинок. Для пояснення електродинамічних взаємодій він ввів (1834) представлення в силових лініях (поняття поля в первісній формі).

«Створене Фарадеєм в противагу пануючим теоріям далекодії уявлення про силових лініях, - писав І. Є. Тамм, - повністю виправдало себе на ділі: воно виявилося вірним керівником Фарадея на шляху численних блискучиих відкриттів ... Уявлення про силові лінії завжди зберігає своє значення і дозволяє надзвичайно просто і наглядно розібратися в цілій області досить складних явищ. Однак ми знаємо тепер, що область його дослідження обмежена, що в інших областях електромагнітних явищ, і перш за все в швидко перемінних полях, воно тільки затемнює сутність справи або зовсім відмовляється служити і веде до суперечностей. Але саме з уявлення про силових лініях викристалізувалося поняття поля, яке має настільки фундаментальне значення для всієї сучасної фізики. Сучасне поняття поля цілком відповідає сутності поглядів Фарадея.

На думку Л. Ейнштейна, ідея поля Фарадея є самим важливе відкриттям з часів Ньютона, яке з часом розірвало рамки механічного опису природи. У Ньютона і його послідовників простір виступало як пасивне вмістилище тіл і електричних зарядів, а у Фарадея воно брало участь в явищах. «Потрібно було мати могутній дар научного передбачення, - писав А. Ейнштейн, - щоб распізнати, що в описі електричних явищ не заряди і не частинки описують суть явищ, а скоріше простір між зарядами і частками» [7].

І як би продовжуючи думку  Ейнштейна, І. Є. Тамм наголосив: «Бо фізичний простір зовсім не являє собой « порожню »протяжність, в яку як би вкладені матеріальні тіла. Простір володіє складними фізичними властивостями - вона є носієм полів електромагнітним і гравітаційним, носієм енергії.

Отже, Фарадея можна вважати творцем вчення про електромагнітне поле. З цього часу матерія стала виступати не тільки у формі речовини, а й у формі поля. Поняття сил, діючих на відстані (миттєво поширюються), замінюється новим фундаментальним поняттям - поняттям поля. На основі своєї концепції понять Фарадею вдалось дати точні уявлення про весь комплекс електромагнітних ефектів, відкритих ним і його попередниками.

Точні ж просторово-часові закони електромагнітних явищ сформулював в 1860-1865 Дж. Максвелл (теорія електромагнітного поля Максвелла). Все розмаїття цих явищ, всю сукупність законів, яким вони підпорядковані, він звів в одну систему рівнянні (рівняння Максвелла):

Rot E = -1/c*dB/dt

Div B = 0

rot H = 4π/c*j+1/c*dD/dt

div D = 4πp

Тут Е та Н – вектори  напруженості електричного та магнітного полів,