Физика ХVIII–ХIX вв

Основными направлениями исследований после Ньютона, помимо традиционных разделов — механики и оптики, стали тепловые процессы, электричество и магнетизм.

В ХVIII в. изучение механики, оптики, тепловых, электрических и магнитных явлений протекало в значительной мере обособленно, и только в XIX в. появляется понимание единства общей физической картины мира, того, что отдельные явления в каждом из указанных разделов физики отражают превращение различных форм энергии друг в друга — механической, тепловой и электромагнитной.

В связи с этим вначале целесообразно дать краткую историческую характеристику каждого из указанных направлений.

Механика. После установления Ньютоном основных законов и принципов в механике возникла необходимость разработки удобных математических методов решения конкретных статических и динамических задач.

В связи с этим была создана аналитическая механика (математическая механика). Наибольший вклад в это направление внесли Леонард Эйлер (1707–1783 гг.) (основное сочинение — “Механика, или Наука о движении, изложенная аналитически”, 1736 г.), Жан Лерон Даламбер (1717–1783 гг.) (“Трактат о динамике”, 1743 г.), Жозеф Луи Лагранж (1736–1813 гг.) (“Аналитическая механика”, 1788 г.) и Уильям Роуан Гамильтон (1805–1865 гг.) (“Общий метод динамики”, 1834–1835 гг.).

Труды указанных механиков-математиков завершили период разработки классической механики. А созданные ими аналитические методы в современной теоретической физике не только приобрели огромное значение для механики, но и получили широкое применение практически во всех других разделах — в термодинамике, электродинамике, акустике, атомной физике.

Оптика, наряду с механикой, является одним из самых древнейших предметов исследований. К началу XVIII в. состояние дел в оптике было следующим.

Были открыты законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света. Эти законы нашли свое объяснение в рамках теории геометрической оптики, в основе которой использовались представления о “световом луче”.

К этому времени был открыт и экспериментально изучен ряд оптических явлений, в том числе дифракция, дисперсия, двойное лучепреломление, интерференция, поляризация.

Для понимания и объяснения всей совокупности вновь открытых явлений стала развиваться новая ветвь теоретической оптики — физическая оптика, центральным вопросом которой стал вопрос о природе света.

Как уже отмечалось, к этому времени сложились две противоположные точки зрения — корпускулярная и волновая. В первом случае считалось, что свет — это поток частиц–корпускул, движущихся от источника света с большой скоростью.

Волновая теория исходила из представления о том, что светящееся тело возбуждает вблизи себя некую тонкую невесомую среду — эфир, которым заполнено все пространство, и это возбуждение в виде продольной волны (как звук от источника звука распространяется в виде продольных акустических волн по воздуху) распространяется в окружающее пространство.

Сторонники корпускулярной точки зрения, в том числе и Ньютон, смогла объяснить со своих позиций прямолинейное распространение, законы отражения и преломления света, явление дисперсии и цветовые ощущения.

Сторонники волновой концепции, и прежде всего Гюйгенс, со своей точки зрения объясняли законы отражения и преломления, в том числе и двойного лучепреломления. Однако объяснить прямолинейное распространение света Гюйгенсу не удалось.

Это стало решающим аргументом в пользу корпускулярной теории, которая была доминирующей весь последующий XVIII в. И только в XIX в. вновь было обращено внимание на работы Гюйгенса.

В оптике происходит революция, закончившаяся победой волновой теории света. Эта революция связана с именами Томаса Юнга (1773–1829 гг.) и Огюстена Френеля (1788–1827 гг.), а в 1850 г. Арман Физо (1819–1896 гг.) и Жан Фуко (1819–1868 гг.) измерили скорость света.

Разработанная Т. Юнгом и О. Френелем в XIX в. волновая оптика теоретически объяснила все известные оптические явления: прямолинейность распространения света, отражение, дифракцию, интерференцию, поляризацию, дисперсию, двойное лучепреломление.

Интересно
А в конце XIX в. наиболее прецизионные изменения скорости света были проведены в экспериментах Альберта Майкельсона (1852–1931 гг.). В этих экспериментах скорость света определена в 3 . 10⁸ м/с. Заметим также, что эти опыты, как будет показано ниже, сыграли важнейшую роль в обосновании специальной теории относительности Энштейна.

Исследование тепловыхявлений. Изучение тепловых явлений по-настоящему начало развиваться только в XVIII в. после изобретения приборов и устройств для измерения температуры — термометров и количества теплоты — калориметров.

Кроме того, такие исследования получили большой стимул в связи с запросами практики, поскольку в XVIII в. важнейшим достижением техники было изобретение паровых машин.

Первые практически пригодные термометры были изобретены только в XVIII в. Наиболее удачные варианты термометров с различными температурными шкалами были разработаны Габриелем Даниэлем Фаренгейтом (1686–1736 гг.), Рене де Реомюром (1683–1757 гг.) и Андерсом Цельсием (1701–1744 гг.).

В дальнейшем, в XIX в. была принята более удобная в ряде случаев температурная шкала, так называемая термодинамическая шкала, предложенная в 1848 г. Уильямом Томсоном (лордом Кельвином, 1824–1907 гг.), в которой абсолютный нуль соответствует – 273,2 °С. Шкала Кельвина наиболее удобна для описания тепловых процессов и законов теплового излучения.

Изобретение термометра дало возможность заняться количественными исследованиями тепловых явлений. Постепенно выяснилось, что теплота имеет две меры — температуру и количество теплоты.

К 80-м гг. XVIII в. сложились основные понятия учения о теплоте. В вышедшем в 1783 г. сочинении “Мемуары о теплоте” французских ученых Антуана Лавуазье (1743–1794 гг.) и Пьера Лапласа (1749–1827 гг.), подводящем итог развития учения о теплоте к этому времени, понятия температуры, количество теплоты, теплоемкости и т. д. считаются установленными.

Следующим этапом явились исследования по изучению явления теплопередачи. Было установлено, что этот процесс осуществляется различными способами, имеющими разную физическую природу. Возникли два самостоятельных понятия — теплопроводности и теплового излучения.

Что касается теплопроводности, то во второй половине XVIII в. начали проводиться теоретические и экспериментальные исследования этого явления, а в начале XIX в. французским ученым Жан-Батистом Фурье (1768–1830 гг.) была создана теория теплопроводности.

Работы по тепловому излучению получили развитие позже, уже в XIX в., и завершились установлением основных законов теплового излучения Людвигом Больцманом (1844–1906 гг.), Вильгельмом Вином (1864–1926 гг.), Максом Планком (1858–1947 гг.).

В XVIII в. начинались систематические исследования расширения тел при нагревании. Особенно это было важно для газов, в свете появившегося интереса к изучению физических процессов в паровых машинах.

В результате было открыто несколько газовых законов для различных термодинамических условий — изотермического, изобарического, изохорического, адиабатического.

На повестку дня были поставлены вопросы получения максимального коэффициента полезного действия тепловых машин. Одним из первых эту проблему решил Никола Леонар Сади Карно (1796–1832 гг.).

Изучение процесса превращения механическими системами теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии и обосновании закона сохранения и превращения энергии.

Хотя идею этого закона высказывали многие ученые, приоритет оформления идеи в важнейший физический закон принадлежит двум немецким ученым-медикам Роберту Майеру (1814–1878 гг.) и Юлиусу Герману Гельмгольцу (1821–1897 гг.) и английскому физику Джеймсу Джоулю (1818–1889 гг.).

Открытие закона сохранения и превращения энергии сыграло решающую роль в последующих исследованиях процессов превращения теплоты в работу, что привело к созданию основ термодинамики. Ведущую роль здесь сыграли работы Р. Клаузиуса, опубликованные в 1864–1867 гг.

Основу термодинамики составили два основных закона — “начала”. Первое начало термодинамики — это применение к тепловым процессам закона сохранения энергии. Согласно первому началу термодинамики термодинамическая система может совершать работу только за счет своей внутренней энергии или каких-либо внутренних источников энергии.

Второе начало в формулировке Клаузиуса следующее: “Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому”. Второе начало термодинамики отражает идеи Л. Н. С. Карно о невозможности полного превращения тепла в механическое движение и звучит следующим образом: “Невозможно построить тепловую машину с КПД, равным 100%”.

Развивая свои термодинамические идеи, Клаузиус в 1865 г. предложил новое физическое понятие для определения меры рассеяния энергии — энтропию S. Оказалось, что с помощью энтропии удобно рассматривать направление протекания тепловых процессов, и был установлен закон возрастания энтропии.

Общая формулировка этого закона следующая: “В замкнутых изолированных системах при необратимых процессах энтропия может только возрастать”. Это также одна из формулировок второго начала термодинамики.

Изменение энтропии всегда положительно указывает на асимметрию природных явлений, т. е. на однонаправленность происходящих в ней процессов.

Дальнейшее развитие термодинамика получила в работах Дж. У. Гиббса и Л. Больцмана. Гиббс создал математическую, аналитическую термодинамику в 1875–1878 гг., используя метод термодинамических функций и введя понятия энтальпии, свободной энергии и термодинамического потенциала Гиббса. Разработанный подход Гиббса широко используется до сих пор не только в физике, но и в химии.

Л. Больцман — основоположник статистической физики — обосновал второе начало термодинамики в рамках разработанной им молекулярно-кинетической теории тепловых процессов. Он открыл связь между энтропией и вероятностью состояния системы.

Закон возрастания энтропии получил у Больцмана простую интерпретацию: “Система стремится к наиболее вероятному состоянию”. Таким образом, второе начало термодинамики становится законом статистическим.

В дальнейшем М. Планк дал простой вывод соотношения между энтропией и вероятностью. Оно имеет следующий вид S = К ln W , где S — энтропия, W — вероятность, K — постоянная Больцмана (так ее назвал Планк).

Таким образом, во второй половине XIX в. окончательно утвердился молекулярно-кинетический взгляд на тепловые процессы, а сама теплота стала пониматься как одна из форм движения материи (наряду с механической, химической, электромагнитной, ядерной).

Электромагнитные явления. После исследований Уильяма Гильберта (1544–1603 гг.) (он первым ввел термин “электричество”) в течение более ста лет в учении об электричестве и магнетизме практически не было получено никаких новых данных.

Но уже в первой половине XVIII в. произошли существенные изменения в области изучения электромагнетизма.

Во-первых, англичанин Стефан Грей (1666–1736 гг.) в 1727 г. открыл явление электропроводимости и все тела разделил на проводники и непроводники.

Во-вторых, французский ученый Шарль Франсуа Дюфе (1698–1739 гг.) в 1734 г. установил существование двух родов электричества.

И в-третьих, в период с 1747 по 1754 г. американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706–1790 гг.) провел целую серию экспериментов с электричеством, которые позволили ему выдвинуть первую теорию, объясняющую электрические явления.

В работах Франклина начали формироваться понятия электрического заряда и закона его сохранения.

Во второй половине XVIII в. начались количественные измерения электричества и магнетизма. Вначале были созданы основы электростатики.

В 1770-х гг. Генри Кавендиш (1731–1810 гг.), а затем в 1780-х гг. Шарль Кулон (1736–1806 гг.) провели прецизионные измерения силы взаимодействия электрических зарядов. В результате был установлен главный закон электростатики — закон Кулона.

В конце XVIII — начале XIX вв. начинает изучаться электрический ток, возникает новая область учения об электричестве и магнетизме — электродинамика. Устанавливаются связи между электрическими и магнитными явлениями.

Первым это обнаружил датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (1777–1854 гг.), который в 1819 г. зарегистрировал действие электрического тока на магнитную стрелку. Открытие Эрстеда вызвало большой интерес и послужило толчком к новым исследованиям.

Уже в 1820 г. французы Жан Батист Био (1771–1862 гг.) и Феликс Савар (1791–1841 гг.) установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку.

В том же 1820 г. французский ученый Андре Ампер (1775–1836 гг.)провел эксперименты по взаимодействию двух прямолинейных проводников с током, а также изучил взаимодействие соленоида (катушки с током) и магнита. В результате он доказал возможность получения тождественных магнитных полей от кругового тока (рис. 1,а) и от постоянного магнита (рис. 1,б)

Эти опыты привели Ампера к важному заключению о том, что природа магнетизма обусловлена электрическим током и можно говорить об единых электромагнитных явлениях.

Интересно
Еще более тесную связь между электрическими и магнитными явлениями установил английский физик Майкл Фарадей (1791–1867 гг.), который начал исследования электричества и магнетизма, закончившиеся открытием в 1831 г. важнейшего явления в области электродинамики — явления электромагнитной индукции.

Фарадей рассуждал, что если электрический ток способен вызывать магнитное действие, то и магнетизм должен вызывать электрические явления. Дальнейшие исследования электромагнетизма привели Фарадея к коренному пересмотру существовавшего в то время взгляда на природу материи.

Он пришел к пониманию существования новых неизвестных ранее видов материи в виде электрического (Е) и магнитного (Н) поля.

Другим важным достижением Фарадея явилась его идея о дискретности электрического заряда, которую он выдвинул, изучая химическое действие электрического тока и явление электролиза. В дальнейшем Джозеф Томсон (1856–1940 гг.) доказал существование электронов.

Представления Фарадея об электромагнитном поле как о новом, ранее неизвестном виде материи были впоследствии развиты знаменитым английским ученым Джеймсом Максвеллом (1831–1879 гг.). Максвелл обобщил основные сведения об электромагнитных явлениях и создал законченную строгую математическую теорию электромагнетизма.

Основная идея Максвелла заключалась в том, что изменяющееся во времени магнитное поле должно приводить к появлению переменного электрического поля, а переменное электрическое поле должно, в свою очередь, приводить к появлению переменного магнитного поля.

Следовательно, существует взаимозависимое единое электромагнитное поле, которое может распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны.

Уравнения Максвелла позволяют сделать целый ряд важнейших выводов. Одним из главных выводов является то, что электромагнитные волны — это поперечные волны, распространяющиеся со скоростью света. С другой стороны, теория Максвелла, доказала, что видимый свет — это электромагнитные волны в определенном интервале длин волн.

При жизни Максвелла его теория не получила всеобщего признания ввиду ее математической сложности, считалась непонятной. Решающую роль в победе теории Максвелла сыграл немецкий физик Генрих Герц (1857–1894 гг.). Он экспериментально получил электромагнитные волны, существование которых следовало из теории Максвелла.

Он также провел эксперименты по распространению, отражению и поляризации электромагнитных волн и доказал их тождество со световыми волнами. А затем российский физик П. Н. Лебедев (1866–1912 гг.) в 1899 г. измерил предсказанное теорией Максвелла световое давление.

И триумфом электродинамики Максвелла стало широкое использование электромагнитных волн после изобретения радио в 1895 г. А. С. Поповым (1859–1906 гг.) и Гульельмо Маркони (1874–1937 гг.).

Подводя итог развития физики в ХVШ–ХIХ вв., следует выделить по крайней мере две главные особенности этого периода.

Во-первых, это было время завершения построения так называемой классической физики, классической аналитической механики, создания волновой теории Гюйгенса–Френеля, объясняющей все известные в то время оптические явления, создания молекулярно-кинетической теории тепловых процессов на основе развития методов статистической физики и, наконец, создания теории электродинамики Максвелла, которая объединила электромагнетизм и оптику.

Во-вторых, к концу ХIХ в. физика выдвинулась в качестве лидера среди всех естественнонаучных дисциплин как своей стройностью и логической завершенностью созданных научных теорий, так и методологическим подходом, заключающемся в строгом математическом обосновании и выражении всех установленных законов; физика стала образцом “точной науки” для всех естественных наук.

Узнай цену консультации

"Да забей ты на эти дипломы и экзамены!” (дворник Кузьмич)