ФИЗИЧЕСКИЕ РЕВОЛЮЦИИ ХХ ВЕКА

естественные науки: физика, химия, биология, геология. Если ограничиться только физикой,

то получим ряд ярчайших светил

Но из этого ряда выделяются как ярчайшие из ярчайших Исаак Ньютон (1643-1727) и Джеймс Максвелл (1831-1879). Автор законов классической механики и всемирного тяготения и создатель теории электромагнетизма и распространения электромагнитных волн стоят у начала и завершения эпохи классической физики и классического естествознания в целом.

Классическая физика создала в ходе своего формирования соответствующую физическую картину мира.

формы существования материи. Они не зависят ни от свойств самой

изменяющейся, или движущейся, развивающейся материи, ни друг от друга.

Причинно-следственные связи в природе однозначны. Если известно начальное состояние (координаты, импульсы) системы взаимодействующих тел, то в принципе можно точно предсказать её состояние в любой заранее заданный момент времени.
И этот философский взгляд на устройство мира – абсолютность пространства и времени и однозначный детерминизм – был столь же незыблем, сколь казалось незыблемым здание классической физики.

от открытой им независимости ускорения свободного падения тел от их

массы, отталкивался Ньютон, формулируя систему открытых им законов механики и гравитации.
Галилей: никаким механическим опытом внутри замкнутой системы, нельзя выяснить, находится ли эта система в покое или движется равномерно и прямолинейно относительно другой системы.
Современная формулировка галилеевского принципа относительности : законы механики инвариантны относительно инерциальных систем.

есть вторая производная пути по времени, то 2-ой закон Ньютона

в системе К для проекции на ось Х силы F, действующей на тело массой m, выражается формулой Fx=md2x/dt2 .
В системе К, согласно преобразованиям Галилея, d2x‘/dt‘2 = d2x/dt2 , т. е. основной закон классической механики не меняет своего вида. Как и все другие законы и закономерности механики макромира не сверхвысоких скоростей.

открытых Фарадеем и теоретически обобщённых Максвеллом законов электромагнетизма следует, что

движущийся электрический заряд создаёт магнитное поле в отличие от покоящегося, который этим свойством не обладает. Но будучи покоящимся в одной инерциальной системе, заряд оказывается движущимся в другой.
Противоречие казалось преодолённым в предположении, что Вселенную пронизывает некая абсолютно неподвижная среда, названная эфиром, которая никакими иными свойствами себя не проявляет.

Земли по орбите v есть скорость Земли относительно эфира, то
t1

= 1/(c-v) + 1/(c+v) = 2l/c(1-v2/c2); β = v/c~10-4 ; t1=2l/c(1- β2)
t2 = 2l/c√(1- β2); 1/(1- β2)=1+β2+β4+…;1/√(1- β2)=1+β2/2+3β4/8+…
Отсюда практически следует, что t1-t2 = lβ2/c
Тогда после поворота системы t’1-t’2 = - lβ2/c, т.е. разность времён прохождения света по расщеплённым лучам должна измениться на 2lβ2/c, а разность хода - на 2lβ2 , или на
21110-8 м = 2,210-7 м, что составляет примерно 40% длины волны λ=5,910-7м применявшегося монохроматического излучения
Но…интерференционная картинка не «шелохнулась»!

электромагнитных излучений) в вакууме с, являясь предельной скоростью взаимодействий, есть

величина постоянная, не зависящая от движения источника.
Все физические законы инвариантны относительно инерциальных систем

них являются математическим выражением свойств физической материи при любых возможных

скоростях материальных объектов

направлении движения относительно неподвижной системы: l = l √(1-v2/c2) .

Замедление времени в движущейся системе относительно неподвижной: t2t1(t’2-t’1): √(1-v2/c2)
Одновременность событий в одной из инерциальных систем отражается неодновременностью в другой. При t’2=t’1 имеем: t2-t1 = v(x’2-x’1)/c2[√ (1-v2/c2) ] ≠ 0
По-иному происходит сложение скоростей. Если в классической механике Галилея-Ньютона u=u’+ v, то в релятивистской положение усложняется. Действительно, (x2-x1)/(t2-t1)=[(x’2-x’1) + v(t’2-t’1)]/[(t’2-t’1)+v(x’2-x’1)/c2] Разделив теперь оба члена числителя и знаменателя на (t2′– t1′), получим:
u = (u’+ v)/(1+vu’/c2)

):

,

исходя из требования инвариантности физических законов относительно инерциальных систем, и

F’= md2x’/dt2. Однако
d2x’/dt2 = [1/√(1-v2/c2)] d2x/dt2 . Значит, m = m0/√(1-v2/c2)
Но важнейшим следствием специальной теории относительности явилось соотношение эквивалентности массы и энергии
Оно получено из сравнения результатов дифференцирования массы по скорости, а энергии по времени:
dm = m0vdv/[c2(1-v2/c2)3/2];
dE = m0vdv/(1-v2/c2)3/2
Cравнивая dE и dm, видим, что dE = c2dm. Интегрируем и -
E = mc2

– энергетический выход экзотермической реакции.
ΔЕ=Δmс2. Это – энергия, которую

в ходе многомиллиардолетнего генезиса того или иного изотопа того или иного элемента отдали вовне нуклоны каждого ядра изотопа, связываясь в это ядро.

Рис.3

пространства и времени.
Специальная теория относительности выявила:
- зависимость пространства и времени

как форм существования материи от способа её существования – движения;
- неразрывную связь пространства и времени между собой, или единое пространство-время, где время – одна из координат.
Физическая картина мира в результате релятивистской революции, таким образом, кардинально изменилась.
Означает ли это, что механика Ньютона неверна? Нет, не означает. Она верна в макромире при скоростях движения, далёких от скорости света.
Новая, более общая теория вбирает в себя старую, предоставляя её заданные, предельные границы. Так формулируется диалектический принцип соответствия. Научная революция (как, впрочем, всякая подлинная революция) разрешает породившие её противоречия не разрушением, не отменой, а «снятием» старого качества, вбирая в себя весь его позитив.

не завершилась.
Для реальных движений характерны не постоянство скорости, а, чаще

всего, её изменения. Любое же изменение скорости, т. е. ускорение, означает наличие силового воздействия. И внимание Эйнштейна обращается на два фундаментальных закона классической физики - открытые Исааком Ньютоном основной, или так называемый второй закон механики, F=mdv/dt, и закон всемирного тяготения, F=Gm1m2 /R2

F = midv/dt F=mgGM/R2

Ньютон: никакой механический эксперимент не отличит инерционную массу от гравитационной
Эйнштейн: никакой физический эксперимент не отличит инерционную массу от гравитационной

космическом корабле где-то вдали от крупных небесных тел. Двигатель сообщает

ускорение, равное 9,8 м/с2. Наблюдателю покажется, что его кабина находится на поверхности Земли.
Через иллюминатор весьма малого диаметра в кабину проникает луч света. «Зайчик» на противоположной стене сместится от нормальной проекции в сторону, противоположную направлению движения. Для наблюдателя, находящегося внутри, луч света представляется искривлённым.
Из принципа эквивалентности следует, что у поверхности Земли свет должен тоже и так же искривляться. И он должен искривляться в гравитационном поле любого массивного космического тела.
Эйнштейна осенило понимание того, что искривляется не луч, а самоё пространство-время.

заданное распределение энергий, импульсов и масс определяют структуру пространства-времени в

окрестностях этого распределения; они также дают возможность судить, как оно искривлено внутри заданного распределения, внутри больших масс.

Согласно общей теории относительности всякое небесное тело всегда движется вдоль геодезической линии свободно в пространстве-времени. Так, Земля движется вокруг Солнца по искривлённой траектории (эллиптической орбите) не потому, что какие-то силы препятствуют её прямолинейному равномерному движению, а потому, что беспрепятственно скользит в искривлённом пространстве-времени вдоль геодезической линии в окрестностях Солнца.

Итак, решая задачу распространения теории относительности с инерциальных систем на неинерциальные, Эйнштейн создал новую теорию тяготения. В случае сравнительно малых масс и больших расстояний от источников тяготения она переходит в ньютоновское описание – очередное проявление принципа соответствия в отношениях старой и новой теорий

относительности, или релятивистской теории тяготения завершило релятивистскую революцию в физике.

Взрыв представлений об абсолютности пространства и времени и их казавшейся независимости друг от друга, совершённый на первом этапе этой первой физической революции ХХ века, этапе специальной теории относительности, углублён на её втором этапе вскрытием зависимости самой структуры пространства-времени, его интервалов, его геометрии от распределения массово-энергетических концентраций движущихся материальных объектов.

орбит планет, для Меркурия выражающееся в повороте большой оси на

43'' за 100 лет
2. Наблюдаемое искривление электромагнитных волн совпадает с предсказанным, как правило, на 99%.
3. Подтверждено предсказанное замедление времени в сильных гравитационных полях.

математик и физик, профессор Петроградского университета, тщательно проанализировав космологическую теорию

Эйнштейна, создал эволюционную теорию развивающейся во времени Вселенной.

Наша Вселенная имеет своим началом ультрамощный выброс энергии, так называемый Большой взрыв, произошедший примерно 14 млрд. лет назад.

Фридман умер рано, в 1925 г., в возрасте 37 лет. Через 4 года после серии тщательных наблюдений американский астроном Эдвин Хаббл объявил результат: Вселенная расширяется. Галактики не изменяются, но расстояния между ними растут со временем. И чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. Теория Фридмана блестяще подтвердилась.

у света волновая природа. Апофеозом монистического представления о свете как

волновой субстанции явились совершённые Майклом Фарадеем открытия электромагнитных явлений и созданная на их основе Джеймсом Максвеллом в 1860-65 г. теория электромагнитного поля и электромагнитных волн, в том числе, световых.

Но открытое Г.Герцем в 1887 и изученное в 1888-90 А.Г.Столетовым явление фотоэлектрического эффекта уже не могло быть объяснено в рамках волновой концепции. Наибольшие же трудности вызвала проблема объяснения спектра излучения абсолютно чёрного тела.

Планк в 1900 г.

Он объяснил спектр излучения абсолютно чёрного

тела озарившей его гипотезой, ставшей вскоре полностью подтверждённым величайшим открытием:
свет, как и любое электромагнитное излучение, испускается и поглощается не непрерывно, а порциями, квантами. Энергия кванта ε = hν, где h=6,62∙10-34 Дж∙с. Это так называемая постоянная Планка.

Показав, что спектр излучения абсолютно чёрного тела представляет собой распределение квантов излучения по энергиям, Планк поначалу не мог даже предположить, какой мощный прорыв в объяснении картины мира он совершил

гипотезу о свете как о потоке мельчайших частиц – корпускул,

тогда же Гюйгенс утверждал противоположное: свет есть явление волновое. Два с лишним столетия волновая теория света, а затем – электромагнитного излучения вообще – господствовала безраздельно. И вот на рубеже XIX и ХХ веков выяснилось, что в природе электромагнитных излучений сочетаются как волновые, так и корпускулярные начала. Если Ньютон утверждал тезис, Гюйгенс - антитезис, то Планк сформулировал синтез. Мы имеем прекрасную иллюстрацию диалектического закона отрицания отрицания.

падающему на электрод световому потоку;
- максимальная кинетическая энергия выбитых электронов

не зависит от интенсивности излучения, а определяется только его частотой и материалом электрода;
- красная граница фотоэффекта зависит только от материала электрода.
Все три закона объясняет уравнение, предложенное в 1905 А.Эйнштейном:
hν = Aв + mv2/2

постулатах.
- Электроны могут обращаться вокруг ядра только по орбитам, соответствующим

энергетическим уровням атома.
- Когда электрон движется по одной из разрешённых орбит, атом находится в устойчивом состоянии, т. е. не излучает и не поглощает энергию.
- Когда электрон перескакивает с одной из разрешённых орбит на более близкую к ядру, атом испускает квант энергии (фотон) в виде излучения, частота которого определяется разностью энергетических уровней и постоянной Планка. Соответственно, атом может поглотить фотон с переходом одного электрона на более удалённую от ядра орбиту, если энергия фотона равна разности энергетических уровней орбит.

Открытая ещё в 1869 Менделеевым периодичность свойств элементов отражает периодичность в расположении электронов в атомах.

масса движения со скоростью с m=hν/c2 = h/λc. Исходя из

философского постулата единства мира, французский физик Луи де Бройль выдвинул в 1923 г. гипотезу, согласно которой все объекты микромира дуалистичны. Он воспользовался аналогией: если массу фотона, эквивалентную его энергии, можно рассчитать по формуле m= h/λc, то частице с массой m, имеющей в данной системе координат скорость v, можно приписать длину волны λ= h/mv.

Явление фотоэффекта, вскрывшее корпускулярные свойства у света, и явления дифракции и интерференции, зафиксировавшие волновые свойства у элементарных частиц, объяснённые или предсказанные Планком, Эйнштейном и де Бройлем, подтвердили: материя на уровне микромира дуалистична, двойственна. Выявление этого дуализма, а также вскрытие Резерфордом и Бором структуры атома, явились предвестниками второй физической революции – квантово-механической

квантовую механику создали Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер, Поль

Дирак, Луи де Бройль.
Дуализм микрообъектов получил количественное выражение в знаменитом соотношении неопределённостей В. Гейзенберга (1927 г.):
Δr∙Δp ~ h, или, точнее, Δr∙Δp ≥ h/(2π),
где Δr – неопределённость координаты микрообъекта, Δp – неопределённость его импульса.
Из этого соотношения вытекает и важное следствие, касающееся энергии микрообъектов, вступающих в какие-либо взаимодействия:
ΔE∙Δt ≥ h/(2π)

введённой Э. Шрёдингером волновой функции ψ. Квадрату модуля этой функции

пропорциональна интенсивность проявления микрообъектом его корпускулярных свойств. Волновая функция ψ – это волна вероятности, напрямую связанная с λ, или с ν: ψ=ψ0е-2πiνt
И соотношение Гейзенберга, и волновая функция Шрёдингера определяют вероятность того или иного значения, которое принимает импульс или координата элементарной частицы. Они выражают особенность микромира, принципиальную его неточность с точки зрения понятий, представлений, сформированных наукой при изучении макромира, с точки зрения языка классической, наглядной физики.
Но причинно-следственная связь выполняется, принимая вероятностный характер.
Итак, вторая, квантово-механическая революция взорвала представление об абсолютности однозначного детерминизма. На фундаментальном уровне микромира он уступает место более общему детерминизму – вероятностному.

e - p

p - p p – n, n – n
сильное (ядерное) 0 0 1 1
электромагнитное 0 10-3 10-3 0
слабое 10-14 10-14 10-14 10-14 гравитационное 0 10-42 10-39 10-39

с. Кварки, лептоны, фотоны, гравитоны не отличались друг от друга

и совмещали функции источников и переносчиков взаимодействия.
После 10-43 с единое поле распалось, первым отделилось гравитационное взаимодействие. Затем, по мере расширения и постепенного остывания Вселенной происходит образование из кварков тяжёлых частиц – адронов (10-6 с), через примерно 0,01 с, когда температура упала до 100 млрд. градусов она оказывается насыщенной лептонами и фотонами.
Но ещё до этого, проходя моменты снижения энергии до указанных выше уровней 1015 ГэВ (Т ~ 1028 градусов) и 100 ГэВ (Т ~ 1015 градусов), Вселенная «прощается» сначала с «великим объединением», а затем и с объединённым электрослабым. Все четыре фундаментальных взаимодействия становятся самостоятельными