Становлення фізики : класичний, некласичний та постнекласичний етапи.

D та В – вектори електричної та магнітної індукції,  p – густина електричного заряду, j – вектор густини струму.

Перше рівняння є математичною формулюванням закону електромагнітної індукції, друге - відображає відсутність магнітних зарядів, неможливість їхнього виділення, четверте - формулює електростатичну теорему Гауса і узагальнює закон Кулона. Третє рівняння є узагальненням на змінні поля закону Ампера про порушення магнітного поля електричними струмами. Однак у ньому міститься оригінальна і блискуча ідея Максвелла. До струму провідності, обумовленому перенесенням зарядів, він додав так званий струм зміщення - змінне електричне, яке подібно струму провідності також створює своє магнітне поле. Це була геніальная здогадка Максвелла, що витікала з відомих експериментальних фактів і дала можливість позбутися трудностей при розгляді замкнутих і незамкнутих струмів.

Ідея про струми усунення дозволила Максвеллу побудувати замкнену систему диференціальних рівнянь для електричного і магнітного полів, які перестали бути незв'язаними і представлялись як єдине ціле - електромагнітне поле. Отримані Максвеллом рівняння показують, що електромагнітні поля можуть поширюватися у вільному просторі у вигляді поперечних (електромагнітних) хвиль, що рухаються зі швидкістю світла. Крім того, з рівнянь Максвелла випливала можливість розглядати світло як електромагнітне збудження. Кілька десятиліть багато вчених намагалися знайти для теорії Максвелла деякий механічне обгрунтування.

З часом рівняння Максвелла  як макроскопічні рівняння електромагнітного  поля узагальнив X. Лоренц, екстраполіровавши їх на мікроскопічні (дрібномасштабні) електромагнітні поля, створювані окремими зарядженими частинами. Результатом була побудова їм електронної теорії (1880-1892), що призвела до великих успіхів, що пояснила і провістила багато нових фактів і явищ. У розвиток електронної теорії внесли вклад також Дж. Томсон, М. Абрагам, А. Пуанкаре, Дж. Лармор та ін..  Свою теорію Лоренц виклав для розробки електродинаміки рухомих середовищ.

Поряд з розвитком електромагнетизму  в цьому ж періоді було завершено  створення термодинаміки (Р. Клаузіус, Л. Больц-ман, Дж. Гіббс). Клаузиусом введено важливе поняття для термодинамічної системи - поняття ентропії і встановлений принципу, що характеризує напрямок протікання процесів (1865). Больцмав відкрив зв'язок ентропії фізичної системи з ймовірністю її стану і довів статистичний характер другого початку термодинаміки (1872). Гіббс заклав в 1873 - 1878 основи хімічної термодинаміки.

Зусиллями Дж. Максвелла, Р. Клаузіуса і Л. Больцмана продовжувався розвиток кінетичної теорії газів.

У 1869 Д. І. Менделєєвим був відкритий один із фундаментальних законів природи - Періодичний закон хімічних елементів, що має величезне природничо-наукове і філософське значення. Він дозволив розглядати всі елементи в їх взаємному зв'язку і прогнозувати властивості невідомих елементів. Виявлена ​​закономірність в спектральних лініях водню (І. Бальмером, 1885) і запропонована (1890) формула, описуюча будь-яку спектральну лінію хімічного елемента (формула Рідберга). Встановлені закони теплового випромінювання (закон Стефана - Больцмана, закон зміщення Віна), рівняння стану реального газу (рівняння Ван дер Ваальса).

В області експерименту отримано ряд значних досягнень: визначено (1865) число молекул в 1 см³ газу при нормальних умовах (число Лошмідта), відкриті електро- та магнітооптичні ефекти (Дж. Керр, 1875 - 1876), ефект Холла (1879 ), пьезоелектричний ефект (II. і Ж. Кюрі, 1880), термоелектронна емісія (Т. Едісон, 1883), зовнішній фотоефект (Г. Герц, I 17), отриманий рідкий кисень (Л. Кальєтє, Р. Пікте, 1877) , виконані досліди з виявлення «ефірного вітру» (А. Майкельсон, 1881, 1887).

Створені важливі для  подальшого розвитку фізики й техніки інструменти та пристрої: динамомашина (А. Пачинотті, 1860), акумулятор (Г. Планте, 1860), лампа розжарювання (Л II. Лодигін, 1872; Т. Едісон, 1879), радіометр (У. Крукс, 1873), трансформатор (П. Н. Яблочков, 1876), телефон (А. Белл, 1876), мікрофон (Д. Юз, 1878), перший сучасний оптичний мікроскоп (Е. Аббе, 1878), болометр (С. Ленглі, 1881), фотоелемент (Л. Г. Столетов, А. Риги, 1888), генератор трифазного струму (М. І. Доліво-Добровольський, 1888), когерер (Е. Бранлі, 1890), електромагнітний осцилограф (А. Блондель, 1893), вакуумний спектрограф (В. Шуман) та ін

Успіхи фізики кінця XIX ст. як в теорії, так і в експерименти призвели до того, що різні розділи фізики представляли собою взаємопов'язану систему, об'єднану механікою Ньютона і електродинаміки Максвелла-Лоренца. Своїм сучасникам фізика здавалася вже майже завершеною. У цьому зв'язку доречно навести розмову, що стався між студентом Мюнхенського університету Планком і його вчителем професором Ф. Жолли. Молодий Бланк, що мав намір стати физиком-теоретиком, запитав у професора, що той думає з цього приводу. Жолли, який вважав, що з відкриттям закону збереження енергії фізика як наука в основному себе вичерпала, відповів: «Молодий чоловік, навіщо ви хочете зіпсувати собі життя? Адже теоретична фізика вже закінчена, диференціальні рівняння вирішені, залишається розглянути окремі приватні випадки ... Чи треба братися за таке безперспективн діло? »[6, с. 250]. Навіть такий відомий фізик, як У. Томсон (Кельвін), в промові, виголошеній їм з нагоди настання нового століття, висловив жаль про наступних поколіннях фізиків, яким остались лише дрібні доробки в уже спорудженому будинку фізичної науки. Однак при цьому він зазначив, що на чистому і ясному небосхилі фізики залишилося тільки дві "хмарки" - одна, пов'язаний з досвідом Майкельсона, інша - з тепловим випромінюванням чорного тіла. Правда, завершеність фізики більшість вчених XIX ст. розуміло як можливість зведення всіх фізичних явищ до механіки молекул (атомів) і ефіру.

Третій  етап характеризується ламкою багатьох вистоявших принципів класичної фізики. Існували "факти, при поясненні яких класична теорія стикалася з великими труднощами, наприклад неінваріантни рівнянь Максвелла - Лоренца щодо перетворень Галілея. Ці труднощі можна було подолати, тільки залучаючи зовсім нові поняття та ідеї, що докорінно відрізняються від класичних уявлень.

Процес революційного  перетворення фізики готували також  відкриття кінця XIX-початку XX в. . У 1895 Рентген відкрив випромінювання, назване його ім'ям (рентгенівські промені), в 1896 Л. Беккерель - радіоактивність урану, в 1897 Дж. Дж. Томсоп - електронову частинку матерії, в 1898 М. Склодовокая-Кюрі І П. Кюрі - радіоактивні елементи полоній і радій, в 1900 М. Планк висунув ідею квантів, в 1902-1903 Е. Резерфорд п ф, Содді встановили закон радіоактивних перетвореннь. Експериментально було доведено зв'язок маси електрона від швидкості (І. Кауфман, 1902) і згортання гелію і радону (У. Рамвай і Ф. Содді, 1903); останні свідчили про взаємоперевтілення елементів. У 1903 було також виявлено безперервне виділення тепла солями радію (П. Кюрі, А. Лаборд), що по суті являло відкриття атомної енергії [8,9].

Несподівано навколишній  світ став набагато складнішим, ніж  представлявся раніше. Мікросвіт, що малював вченим XIX в. як мініатюрна копія  макросвіту з повним якісним ототожненням макро-і мікрооб'єктів і розрізняються лише кількісно, ​​виявився повним непояснених несподіванок. Чітко виявилася обмеженість уявлень фізики XIX в. Звичний ньютонівський світ став давати «тріщини» в усіх напрямках. Причому, мова йшла не про деталі, руйнувалися всі механічні підстави цього світу. Це дало привід М. Планку сказати: «Сучасна теоретична фізика може справити враження старого, поважного, але вже застарілого будинку, в якому одна частина за іншою починає валитися, і навіть сам фундамент починає хитатися» [37, с. 73]. Таким чином, було підготовлено грунт для революції у фізиці. Прапор цієї революції несли М. Склодовська-Кюрі і П. Кюрі, Дж. Дж. Томпсон і Е. Резерфорд, X. Лоренц і М. Планк. Тому роки з 1895 по 1904 - це роки революційних змін у фізиці, етап переходу до нової, сучасної фізики.

У ці ж роки було винайдено  радіо (А. С. Попов, 1895), відкрито явище  розщеплення спектральних ліній в магнітному полі (П. Земан, 1896), виміряний тиск світла на тверді тіла (П. І. Лебедєв, 1899), здійснена поляризація рентгенівських променів (Ч. Баркла, 1904), запропоновані перші моделі атома (Ж. Перрен, Дж. Дж. Томсон, X. Нагаока).

Цей етап крутої ломки старих понять, коли новітні природничі відкриття руйнували старі метафізичні уявлення про неподільність атомів, незмінність хімічних елементів, сталості маси, коли відкидалися старі принципи науки і відкривалися нові властивості матеріального світу, частина фізиків розуміла як кризу фізики. «Зникає маса, зникає матерія, підриваються основи механіки», - кричали вони й відмовилися від матеріалізму.

Нові досягнення фізики розглянув  В. І. Ленін у книзі «Матеріалізм і емпіріокритицизм» (1909) і дав їм матеріалістичні обгрунтування. Він проаналізував так званий «криза у фізиці» і показав революційний сенс фундаментальних фізичних відкриттів, намітив шлях виходу з цієї «кризи». «Матерія зникає» - це значить зникає та межа, до якого ми знали матерію досі, - писав В. І. Ленін, - наше знання йде глибше; зникають такі властивості матерії, які здавалися раніше абсолютними, незмінними, первинними (непроникність, інерція, маса і т. п.) і які тепер знаходяться як відносні, властиві тільки деяким станам матерії »[8, с. 275]. І кажучи про поглиблення людського пізнання, В. І. Ленін підкреслював, що «якщо вчора це поглиблення не йшло далі атома, сьогодні - далі електрона і ефіру, то діалектичний матеріалізм наполягає на відносному, приблизному характері всіх цих віх пізнання природи прогресуючої наукою людини »[7, с. 277].

Руйнування класичної  картини світу, спокою на помилковій гіпотезі тотожності мікро-і макроявищ, стало цілком природним і діалектичним, що підтвердив як ніхто краще діалектичний матеріалізм, який наполягає на відносному характері якого наукового положення про властивості матерії. І суть кризи фізики, як визначив його В. І. Ленін полягає в ломці старих законів та основних принципів, у відкиданні об'єктивної реальності поза досвідом, тобто в заміні матеріалізму ідеалізмом і агностіцізмом . В. І. Ленін висловив упевненість в успішному подоланні фізикою цієї кризи: «Матеріалістичний основний дух фізики, як і всього сучасного природознавства, переможе всі і всілякі кризи, але тільки з неодмінною заміної матеріалізму метафізичним матеріалізмом, діалектичним» [10 , с. 324]. Думка В. І. Леніна про невичерпність матерії стала загальним принципом природничонаукового пізнання, програмним становищем для всієї фізики XX ст.

2. Період некласичної фізики

Роки 1895-1904 були етапними в переході до нової фізики, фізики XX ст., Фундамент якої заклали теорія відносності і квантова теорія. Початок її можна віднести до 1905 р., коли А. Ейнштейн розробив третю після механіки Ньютона і електродинаміки Максвелла велику фізичну теорію - спеціальну теорію відносності. При цьому перехід від класичної фізики до сучасної характеризувався не тільки виникненням нових ідей, концепцій і понять, але і новим мислення, новою мовою формул, зміною її духу в цілому. В сучасній фізиці доцільно виділити два етапи:  некласична та постнекласична.

Некласична  фізика починається зі створення спеціальної теорії відносності, яка своїм походженням зобов'язана фундаментальне протиріччя, яке існує між елекродинамікою Максвелла - Лоренца і класичною механікою. Справа в тому, що рівняння електродинаміки не задовольняють галілеївський принцип відносності класичної механіки, інакше кажучи, вони неінваріантні щодо перетворень Галілея. В електродинаміці перевага віддавалася деякій системі координат. З нею асоціювали систему, яка находиться в спокої по відношенню до ефіру - абстрактного гіпотетичного середовища, позбавленого будь-яких фізичних властивостей, яке служить для фіксації систем відліку, де справедливі рівняння електродинаміки. За теорією Максвелла - Лоренца для спостерігача, що рухається щодо ефіру, світлові питяння повинні були б протікати інакше, ніж для нерухомого. Це означало, що вивчення цих явищ у рухомій системі координат дозволить визначити швидкість цієї системи відносно ефіру. Однак досліди, зокрема досвід Майкельсона - Морлі (1887), проведені з метою виявити рух Землі відносно ефіру (так званий «ефірний вітер»), дали негативний результат. Вони свідчили, що рух Землі не чинить впливу на електродинамічні явища і що не існує привілейованої системи відліку. Для пояснення негативного результату досвіду Майкельсона - Морлі X. Лоренц висунув в 1892 гіпотезу скорочення прочасткових розмірів тіл у процесі їх руху щодо ефіру (скорочення Лоренца - Фітцджеральда) і ввів поняття «місцевого часу», яке в рухомих тілах тече по іншому, ніж у спокої. Він показав (1904), що хоча рівняння електродинаміки і не інваріантні щодо перетворення Галілея, вони інваріантні щодо іншої лінійної системи координат, що має, правда, більш складний вид:

x’ =

y’ = y

z’ = z

t’ =

Тут х ', у', z '- координати і t' - час інерціальній системи, що рухається зі швидкістю V відносно іншої інерціальної системи; с - швидкість світла.Однак заміна перетворень Галілея стосовно до електродинаміки, запропонована X. Лоренцом, представляла собою зручне правило, придатне для вирішення певного круга фізичних задач.Проаналізувавши детально фізичний зміст простору і часу, Ейнштейн припустив, що перетворення Лоренца відображають дійсну фізичну реальність, значення їх виходить за межі рівнянь Максвелла і стосується сутності простору і часу і з інваріантності рівнянь електродинаміки щодо цих перетворень (з неможливості виявити абсолютний рух) випливає справедливість принципу відносності, тобто рівноправність усіх інерціальних систем відліку (при цьому саме поняття ефіру виявилося лишнім). Іншими словами, Ейнштейн узагальнив механічний принцип відносності Галілея на оптичні і електромагнітні явища, встановивши так званий спеціальний принцип відновлювання, що виражає незалежність (інваріантність) законів природи щодо перетворень руху (в 1905 загальне формулювання принципу відносності дав А. Пуанкаре, що довів також незмінність форми рівнянь електродинаміки щодо перетворень Лоренца).«Щоб спеціальний принцип відносності міг виконануваться, - писав Ейнштейн, - необхідно, щоб всі рівняння фізики не змінювали свого вигляду при переході з однієї інерціальної системи в іншу, якщо використовувати перетворення Лоренца для підрахунку цієї зміни. Говорячи мовою математики, всі системи рівнянь, що виражають закони фізики, повинні бути інваріантними щодо перетворень Лоренца. Таким чином, з методологічної точки зору спеціальний принцип відносності ... дасть нам загальну умову, якій повинні задовольняти всі закони природи »[7, с. 101].Із спеціального принципу відносності, установленого Ейнштейном, випливає, що фізичні закони повинні мати однакову форму у всіх інерціальних системах відліку, тобто зберігати свій вигляд і при перетвореннях Лоренца. Ця вимога отримала назву релятивістської інваріантності, або Лоренц-інваріантності (Лоренц-коваріантності) фізичних законів. Зв'язок між координатами і часом двох рухомих систем відліку (немеханічними) дається вже не перетвореннями Галілея (х '= х - vt; y' = у, z '= z; t' = t, заснованими на поняттях абсолютного простору і часу, а перетвореннями Лоренца. А це означає, що необхідно відмовитися від цих, здавалося б, таких природних постулатів. Провівши глибокий критичний аналіз експериментальних методів вимірювання простору і часу, зокрема аналіз поняття одночасності різномісцевих подій (ще задовго до Ейнштейна ньютонівська концепція далекодії потерпіла фіаско, в природі не було виявлено тіл, які передавали б сигнали миттєво, без витрати часу), Ейнштейн проілюстрував, що будь-який сигнал не може поширюватися зі швидкістю, більшою швидкості світла у вакуумі, а швидкість світла в  вакуумі постійна і однакова у всіх напрямках (принцип сталості швидкості світла). Виходячи з цього, Ейнштейн показав,що дві події, одночасні в одній системі, в інший виходять у різний час, тобто поняття одночасності, як і поняття виміру часу, стає відносним. Подібні міркування поширюються і на виміри простору. Ці два вищеназвані постулати Ейнштейна і були їм положені в основу теорії, яку він виклав в 1905 у статті «До електродинаміки рухомих тіл »[7]. Теорія відносності Ейнштейна (приватна, або спеціальна) змусила переглянути ряд основних положень і понять механіки Ньютона. Вона являла собою нову фізичну теорію простору - часу, так як вводила нові просторово-часові уявлення (відносність довжини, часу і одночасності), що отримало своє відображення в заміні перетворень Галілея перетвореннями Лоренца. За словами В. Л. Гінзбурга, «відмова від абсолютного часу являється особливо радикальним висновком теорії Ейнштейна. За своїм значенням і труднощам цей результат можна порівняти з відмовою від абсолютної нерухомості Землі, що лежить в основі геліоцентричної системи Коперника »[4, с. 132].Спеціальна теорія відносності просто пояснила результат дослідів Фізо, Манкельсона - Морлі та інші спостережені ефекти.Вона дала нові вирази для імпульсу р і енергії Е: